Amerikaanse wetenschappers hebben een slimme manier gevonden om de eerste stap van fotosynthese in een buisje uit te voeren. Daarvoor hebben ze juist niet de moleculen gebruikt die dat proces in planten mogelijk maken. Natuurlijke fotosynthese eiwitten zijn vrij kieskeurig qua temperatuur en watergehalte en dus niet zo geschikt voor een zonnecel. Ook zijn er er 5 gigantische eiwitcomplexen voor nodig en moeten ze strak samenwerken om elk beetje energie uit het zonlicht te winnen. Dat kan makkelijker, dachten ze op MIT, de bekendste technische universiteit in Amerika: we kopiëren alleen het principe.

Jon Sullivan.

Natuurlijke fotosynthese gebruikt pigmenten – gekleurde moleculen die licht absorberen – om lichtdeeltjes, zogenaamde fotonen, uit het zonlicht op te vangen. Die fotonen worden dan via een vrij ingewikkelde chemische reactie verplaatst naar een enzym dat water (H₂O) splitst in waterstof ionen (H⁺) en zuurstof ionen (O^2-): de eerste stap van fotosynthese. Op zich is het niet moeilijk dit proces te imiteren. Al jarenlang zijn er moleculen bekend die zonlicht kunnen opvangen, of water kunnen splitsen. Alleen is hierbij de ruimtelijke ordening tussen de moleculen erg belangrijk: een nanometer teveel ertussen en het hele feest gaat niet door. Dat imiteren was tot dusver nog niet goed gelukt.

Het M13 virus is van nature lintvormig.

Universiteit van Madrid

Maar nu dus wel. De wetenschappers modificeerden een ongevaarlijk virus (M13) zo, dat het bindingsplaatsen voor de katalysator op zijn buitenmembraan kreeg. Het antenne-molecuul (porfyrine) werd met een chemische reactie aan de rest van het membraan gekoppeld. Zo komen de antenne moleculen en de katalysator (iridium oxide) precies ver genoeg van elkaar op het virus terecht. Om een watermolecuul te splitsen, zijn minimaal 4 fotonen nodig, dus is het aannemelijk dat er pigment-katalyse clusters samen werken. Zodra er zonlicht op de virussen schijnt, verandert het in een watersplitsingsmachientje. Ze kozen voor dit bijzondere, langwerpige virus omdat het zo plat is. Met andere woorden: veel oppervlak voor weinig ruimte.

In het geel zie je hier het virus, in het roze de pigmenten en de bruine balletjes zijn de metaalionen die als katalysator dienen.

Angela Belcher

“We gebruiken moleculen die al veel eerder bekend waren, maar de manier waarop we ze ordenen is nieuw,” legt professor Angela Belcher, hoofd van dit onderzoek, uit. “Op onze manier verloopt het proces vier keer efficiënter dan met oude methoden.” Door alle benodigdheden op een virus te plakken, besparen de wetenschappers zich veel constructie problemen. Virussen vermenigvuldigen is in een lab een koud kunstje: daar zijn ze immers voor gemaakt. De basis van de zonnecel is vrij goedkoop te maken, waardoor de energie ook te betalen blijft.

Maar het uiteindelijke doel is nog niet bereikt. Dat is namelijk het vormen van waterstofgas dat als alternatieve brandstof kan dienen. “We gaan hierna de tweede stap van het proces tackelen,” vertelt Belcher. “Maar dat zal wel lukken. Deze eerste reactie is verreweg de ingewikkeldste van het proces.” Misschien hebben ze wat aan deze Amsterdamse uitvinding van vorig jaar?

Over twee jaar hoopt de groep een prototype zonnecel klaar te hebben. Die zal dan ook de waterstofionen naar waterstofgas omzetten. Dan kunnen we naast elektriciteit, ook direct alternatieve brandstof maken met zonne-energie.

Wat vind jij van de veelbelovende nieuwe toepassingen van nanotechnologie? Brengt nanotechnologie een betere wereld, of zijn de risico’s te groot? Geef je mening in de NanoDiscussie van Kennislink!

Meer over zonne-energie op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/zonnecel/index.atom?m=en", “max”=>"10", “detail”=>"minder"}