SCIENZA E RICERCA

Un altro passo in avanti verso la fotosintesi artificiale

Il lavoro è stato pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature Chemistry e pone importanti basi allo sviluppo della fotosintesi artificiale. Prima autrice di questo lavoro è Marcella Bonchio, ordinario del Dipartimento di Scienze Chimiche dell’Università di Padova e prorettrice alla ricerca scientifica.

Fino a 2 miliardi di anni fa l'atmosfera terrestre aveva una composizione completamente diversa da quella attuale, perché mancava l'ossigeno. Alcuni microrganismi azzurrognoli, i cianobatteri, evolvettero un metabolismo la cui attività di scarto risultava proprio nella produzione di molecole di ossigeno. Ebbe luogo così uno dei più grandi stravolgimenti mai avvenuti sulla faccia della Terra: la maggioranza delle specie viventi si estinse e sopravvissero solo quelle in grado di respirare l'ossigeno che oggi viene prodotto, oltre che dai cianobatteri, dalle piante verdi e dalle alghe. Ciò avviene grazie al processo di fotosintesi: tramite la mediazione della clorofilla presente nella pianta, la luce solare catturata fornisce l'energia necessaria a convertire sei molecole di anidride carbonica (CO2) e sei molecole di acqua (H2O) in una molecola di glucosio (C6H12O6), lo zucchero fondamentale per la vita della pianta. Il sottoprodotto di questa reazione sono sei molecole di ossigeno (O2), che la pianta libera nell'atmosfera.

La ricerca sulla fotosintesi artificale non mira a riprodurre fedelmente il sistema fotosintetico naturale, ma piuttosto prende spunto da questo, imitandone la strategia.

Marcella Bonchio spiega la ricerca sui "quantasome" artificiali

I ricercatori hanno incentrato il loro approccio sul quantasome (in italiano suonerebbe “quantosoma”) l'unità fotosintetica più piccola responsabile della conversione dei “quanti” di energia solare (un pacchetto di pochi fotoni) in energia chimica.

Due sono gli elementi più importanti dell'architettura del quantosoma. Uno è un complesso proteico, il fotosistema II, che funziona un po' come un'antenna che cattura l'energia solare. Il secondo elemento è un un catalizzatore metallico che viene unito all'antenna e agisce generando ossigeno dall’acqua.

A partire da questi mattoncini fondamentali viene costruita una architettura a più livelli, con una funzione simile a quella della foglia naturale. L’idea non è di creare una replica del perfetto sistema naturale, al contrario, viene proposto un approccio divergente, che esplora alternative artificiali disegnate con componenti robuste, versatili e regolabili, pronte per essere utilizzate su larga scala per applicazioni reali.

Sappiamo che la ricerca per i combustibili solari non è procrastinabile e che non possiamo aspettare una risposta dall'evoluzione dei sistemi biologici, sarebbe troppo lenta. Oggi più che mai è pressante la transizione verso forme di energia rinnovabile e pulita, verso un pianeta de-carbonizzato. La fotosintesi artificiale, oltre a rappresentare una sfida scientifica di per sé estremamente affascinante, potrà giocare un ruolo fondamentale nella sostenibilità dell'approvvigionamento energetico.

“Siamo risaliti ai primi studi di Emerson and Arnold (1932) and Park and Biggins (1964) – spiega Marcella Bonchio, responsabile del laboratorio del dipartimento di Scienze chimiche dell’università di Padova dove si studia la conversione dell’energia solare a partire dall’acqua – e abbiamo capito quali sono i requisiti essenziali del sistema, da lì è partita la nostra ricerca del quantasome artificiale”.

Mecanismo di formazione e azione dei "quantasomes" artificiali. Video a cura di Marco Toffanin, Digital learning and multimedia office, università di Padova

Il lavoro di ricerca stabilisce inoltre un nesso tra scienza del naturale e scienza dell'artificiale, tra biochimica della fotosintesi e nanoscienze. “Nel nostro primo lavoro in collaborazione (Nature Chemistry 2010), avevamo promesso di arrivare al sistema attivato dalla luce”. Maurizio Prato, esperto mondiale per la sintesi di materiali nanostrutturati di carbonio, coautore della ricerca, mette in risalto il passo avanti compiuto adesso: “abbiamo usato un semiconduttore organico robusto e versatile per costruire nuovi fotoelettrodi che lavorano con fotoni a bassa energia”.

E proprio il premio Nobel per la chimica 2016 Jean-Pierre Sauvage dell’ISIS di Strasburgo, ricorda che “la scissione dell’acqua è un obiettivo talmente importante da essere al centro di un lavoro intenso di ricerca in tutto il mondo. Io stesso ho lavorato sull’argomento, con lo scopo di imitare il processo naturale, e posso dire che si tratta di una sfida ardua, con problemi difficilissimi ancora irrisolti". 

E sottolinea: “Il lavoro di Bonchio, Prato e collaboratori apre una nuova prospettiva, e nuove possibilità. Il sistema supramolecolare, che si auto-organizza in forma, struttura e dimensioni, semplicemente assemblando un catalizzatore molto robusto e una antenna di sensibilizzatori ci mostra una nuova direzione per la fotosintesi artificiale”.

Una componente fondamentale del lavoro di Marcella Bonchio e colleghi è infatti il principio dell'auto-organizzazione delle componenti del quantasome, lo stesso principio che sta alla base del funzionamento delle macchine molecolari che hanno valso il premio Nobel a Sauvage, Fraser Stoddard e Feringa. Il principio di auto-organizzazione, tramite un delicato equilibrio di reazioni chimiche, giuste distanze e giuste dimensioni, permette alle componenti del quantosoma di compiere il lavoro che porta alla fotosintesi artificiale.

“L’auto-organizzazione spontanea del sistema dai componenti isolati è affascinante – commenta Nicola Armaroli, direttore di ricerca all’istituti ISOF-CNR di Bologna, allievo ed erede della scuola di Vincenzo Balzani – si forma un’architettura multistrato che immagazzina l’energia dei fotoni. Questa è la stessa strategia utilizzata dal sistema naturale”.

Il nuovo materiale si costruisce dai suoi componenti in modo spontaneo, e può essere generalizzato per altre funzioni, non solo per fare ossigeno. Questa è la prospettiva che auspica Markus Antonietti, direttore del Max Planck Institute di Berlino: “Sono stato tra i primi a conoscere I risultati sulla scissione dell’acqua ottenuti a Padova, e sono quindi sicuro che una svolta importante ci sarà quando lo stesso sistema potrà essere applicato anche per la sintesi di altri prodotti con potenzialità di mercato”.

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