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Un nanoreattore che imita il funzionamento delle cellule viventi riesce a trasformare la luce solare in perossido di idrogeno, aprendo una strada nuova verso una chimica più pulita e verso quella che i ricercatori chiamano fotosintesi artificiale. L’idea di base è affascinante quanto concreta, perché parte dall’osservazione di come le cellule organizzano al loro interno le reazioni chimiche e prova a ricrearlo dentro un materiale sintetico su scala nanometrica. Il lavoro, pubblicato sul Journal of the American Chemical Society, porta la firma del gruppo guidato dal professor Li Can al Dalian Institute of Chemical Physics dell’Accademia Cinese delle Scienze, insieme al team del professor Jian Liu dell’Università della Mongolia Interna. Il cuore del progetto è una struttura cava chiamata CdS@polidopammina, che riproduce due caratteristiche fondamentali delle cellule vere.
Come funziona questa cellula artificiale
Le cellule viventi portano avanti reazioni biochimiche complesse con una precisione e un’efficienza notevoli. Ci riescono perché dispongono i vari componenti in spazi controllatissimi, dove le molecole possono muoversi, incontrarsi e reagire in condizioni ben regolate. Gli scienziati ora provano ad applicare gli stessi principi ai materiali ingegnerizzati, in un campo che va sotto il nome di ingegneria delle nanocellule. Il nanoreattore messo a punto contiene due elementi ispirati proprio alla biologia. Il primo è una coppia redox catecolo/o-benzochinone che si trova nel guscio di polidopammina. Non funziona come una pompa protonica attiva, ma piuttosto come un relè per i protoni, accettandoli e rilasciandoli in continuazione. In questo modo velocizza il cosiddetto trasferimento elettronico accoppiato a protoni, un processo in cui il movimento di protoni ed elettroni è strettamente collegato. Il secondo elemento è la struttura a compartimenti. Una cavità cava su scala nanometrica è circondata da un guscio poroso, e questo crea un ambiente confinato dove i reagenti possono accumularsi. La stessa architettura favorisce la diffusione delle molecole e intrappola i fotoni in arrivo, così le reazioni guidate dalla luce procedono in modo più efficace.
Numeri, luce solare e materiali riciclabili
Messi insieme, questi due elementi aiutano a bilanciare le diverse velocità di due semireazioni che devono lavorare in coppia durante la produzione di perossido di idrogeno, cioè la riduzione dell’ossigeno e l’ossidazione dell’acqua. Sotto illuminazione a luce visibile e in soluzione acquosa, il sistema ha raggiunto un tasso di fotosintesi dell’H2O2 pari a 3,24 mmol per grammo di catalizzatore all’ora, con un’efficienza di conversione da energia solare a prodotto chimico dell’1,2 per cento.
Per capire davvero cosa succedeva dentro il nanoreattore, i ricercatori hanno combinato diverse tecniche, dalla spettroscopia in situ all’analisi fotochimica, fino alle simulazioni agli elementi finiti e ai calcoli teorici. Tutto questo ha permesso di osservare i processi ispirati alle cellule e di chiarire il meccanismo fotocatalitico basato su una eterogiunzione a schema Z.
C’è poi un aspetto pratico che rende il tutto ancora più interessante. I ricercatori hanno inserito i nanoreattori dentro una matrice di idrogel di alginato di sodio, un materiale ecologico. Il risultato sono fotocatalizzatori solidi e riciclabili, capaci di produrre H2O2 in modo continuo sotto la luce naturale del sole, mantenendo prestazioni stabili nel tempo. “Il nostro studio offre una nuova strategia per progettare nanoreattori biomimetici che replicano sempre di più le funzioni sofisticate delle cellule viventi, aprendo opportunità inedite nella fotosintesi artificiale, nella catalisi energetica e nella chimica di sintesi”, ha spiegato il professor Li.
