Scoperte sulla fotosintesi
2 Luglio 2024
I chimici delCalifornia Institute of Technology(Caltech) e delLawrence Berkeley National Laboratorycredono di poter ora spiegare uno dei misteri rimasti nella fotosintesi, il processo chimico attraverso il quale le piante trasformano la luce solare in energia utilizzabile e generano l’ossigeno che respiriamo. La scoperta suggerisce un nuovo modo di affrontare la progettazione di catalizzatori che guidano le reazioni di scissione dell’acqua nelle fotosintesi artificiali.
Se si vogliono costruire i sistemi che possono effettuare la fotosintesi artificiale, è importante capire come funziona il sistema in natura. Uno dei pezzi chiave della macchina biologica che permette la fotosintesi è un insieme di proteine ??e pigmenti noti come fotosistema II. All’interno di tale sistema si trova un piccolo gruppo di atomi, chiamato complesso evolvente ossigeno, dove le molecole d’acqua sono scisse e si forma l’ossigeno molecolare.
Anche se questo processo di produzione di ossigeno è stata ampiamente studiato, il ruolo delle varie parti del sistema non è ancora chiaro. Il complesso evolvente ossigeno esegue una reazione che richiede il trasferimento di elettroni, nota come una reazione redox. Il gruppo di atomi può essere descritto come un cluster metallo misto percheacute; oltre all’ossigeno, comprende due tipi di metalli, uno che è redox attivo, o in grado di partecipare al trasferimento di elettroni (in questo caso, manganese), e uno che è redox inattivo (calcio). Dal momento che il calcio è redox inattivo, si è a lungo pensato quale ruolo potesse svolgere in questo gruppo di atomi.
Egrave; stato difficile risolvere il mistero in gran parte percheacute; il complesso evolvente ossigeno è solo un ingranaggio della macchina molto più grande che è il fotosistema II. Per ovviare a questo è stata preparata una serie di composti che sono strutturalmente simili al complesso evolvente ossigeno. Egrave; stata costruita una struttura organica complessa in modo graduale, in primo luogo con l’aggiunta di tre centri di manganese e infine inserendo un quarto metallo. Variando tale quarto metallo, che può essere il calcio e successivamente differenti metalli redox-inattivi, come lo stronzio, il sodio, l’ittrio, e lo zinco, si sono confrontati gli effetti dei metalli sulle proprietà chimiche del composto ottenuto.
Quando si preparano cluster metallo misto, i ricercatori di solito mescolano precursori chimici semplici e sperano che i metalli si auto-assemblino in strutture desiderate: ciò rende difficile controllare il prodotto ottenuto. Preparando questi cluster in un modo molto più metodico, sono stati in grado di ottenere solo le strutture giuste.
Si è scoperto che i metalli redox-inattivi influenzano il modo in cui gli elettroni vengono trasferiti in tali sistemi. Per formare ossigeno molecolare, gli atomi di manganese deve attivare gli atomi di ossigeno legati ai metalli nel complesso. Per fare questo, gli atomi di manganese devono prima trasferire diversi elettroni. I metalli redox-inattivi attirano più fortemente gli elettroni degli atomi di ossigeno rendendo più difficile il trasferimento dal manganese. Ma il calcio non guida gli elettroni verso se stesso. Di conseguenza, ciò consente agli atomi di manganese il trasferimento di elettroni ad attivare gli atomi di ossigeno che vanno poi a formare l’ossigeno molecolare.
Un certo numero di catalizzatori che sono attualmente in fase di sviluppo per ottenere una fotosintesi artificiale sono catalizzatori di ossido di metallo misto. Non era chiaro quale ruolo i metalli redox-inattivi giocassero in questi catalizzatori misti. La nuova scoperte suggerisce che i metalli redox-inattivi influenzano il modo in cui vengono trasferiti gli elettroni. Se si sceglie il giusto metallo redox-inattivo, è possibile ottimizzare il potenziale di riduzione per portare la reazione nel campo dove è favorita, quindi si ha un modo più razionale di pensare a come progettare questo tipo di catalizzatori percheacute; è noto quanto un metallo redox-inattivo influenzi la chimica di ossidoriduzione.
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