L'industria chimica globale è responsabile di circa il 6% delle emissioni totali di carbonio nel mondo, un dato che rende questo settore uno dei protagonisti chiave nella sfida della sostenibilità ambientale. Nonostante la sua impronta climatica significativa, questo comparto industriale rimane fondamentale per l'economia mondiale, producendo una gamma sterminata di prodotti essenziali: dai medicinali ai fertilizzanti, dalle plastiche alle vernici, dai componenti elettronici ai detergenti e ai cosmetici. La questione centrale diventa quindi come trasformare radicalmente questo settore senza comprometterne la capacità produttiva.
Un gruppo di ricerca dell'Università di Cambridge ha sviluppato un dispositivo ibrido che potrebbe rappresentare una svolta nella decarbonizzazione dell'industria chimica. Il sistema combina polimeri organici in grado di assorbire la luce con enzimi batterici per trasformare luce solare, acqua e anidride carbonica in formato, un combustibile pulito utilizzabile per alimentare ulteriori reazioni chimiche. Questo approccio replica il meccanismo della fotosintesi naturale, il processo attraverso cui le piante convertono la luce solare in energia, ma applicato alla produzione industriale di composti chimici.
La novità sostanziale rispetto ai precedenti tentativi risiede nella composizione dei materiali impiegati. Il dottor Celine Yeung, co-autore principale dello studio completato durante il suo dottorato, spiega che eliminando i componenti tossici e utilizzando elementi organici si ottiene una reazione chimica pulita con un singolo prodotto finale, evitando reazioni indesiderate. I precedenti modelli di foglie artificiali sviluppati dal laboratorio si basavano su catalizzatori sintetici o semiconduttori inorganici che si degradavano rapidamente, sprecavano gran parte dello spettro solare o contenevano elementi tossici come il piombo.
Il dispositivo integra semiconduttori organici con enzimi provenienti da batteri solfato-riduttori, capaci di scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno oppure di convertire l'anidride carbonica in formato. Il team ha inoltre risolto una sfida tecnica persistente: la maggior parte dei sistemi precedenti richiedeva additivi chimici chiamati buffer per mantenere attivi gli enzimi, sostanze che tendevano a degradarsi velocemente limitando la stabilità complessiva. Incorporando un enzima ausiliario, l'anidrasi carbonica, in una struttura porosa di biossido di titanio, i ricercatori sono riusciti a far funzionare il sistema in una semplice soluzione di bicarbonato, simile all'acqua frizzante, senza additivi non sostenibili.
Il professor Erwin Reisner del Dipartimento di Chimica Yusuf Hamied di Cambridge, che ha guidato la ricerca, sottolinea come questa rappresenti un'opportunità enorme se gestita correttamente. "Dobbiamo trovare modi per de-fossilizzare questo settore importante che produce tanti prodotti essenziali di cui abbiamo tutti bisogno", ha dichiarato Reisner, evidenziando la complessità del problema nell'ambito della costruzione di un'economia circolare e sostenibile.
I test di laboratorio hanno dimostrato che la foglia artificiale produce correnti elevate e raggiunge un'efficienza quasi perfetta nel dirigere gli elettroni verso le reazioni di produzione di combustibile. Il dispositivo è riuscito a funzionare ininterrottamente per oltre 24 ore, più del doppio rispetto ai progetti precedenti. In un esperimento particolarmente significativo, il team è riuscito a utilizzare la luce solare per convertire l'anidride carbonica in formato e successivamente applicarlo direttamente in una reazione "domino" per sintetizzare un composto prezioso utilizzato nei prodotti farmaceutici, ottenendo sia resa elevata che purezza.
Il dottor Yongpeng Liu, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Reisner e co-autore principale, descrive il processo come un grande puzzle con componenti diverse che il team ha cercato di assemblare per un unico scopo. La comprensione dettagliata del funzionamento degli enzimi ha permesso ai ricercatori di progettare con precisione i materiali che compongono i diversi strati del dispositivo, strutturato come un sandwich. Questo design ha reso le parti più efficaci nel lavorare insieme, dalla nanoscala fino alla foglia artificiale completa.
Secondo quanto pubblicato sulla rivista Joule, questo rappresenta il primo caso in cui semiconduttori organici vengono utilizzati come componente di cattura della luce in un sistema bibrido di questo tipo, aprendo la strada a una nuova generazione di foglie artificiali ecologiche. Il team sta ora lavorando per estendere ulteriormente la durata del dispositivo e adattarlo per produrre diversi tipi di prodotti chimici. Reisner ha concluso affermando che hanno dimostrato la possibilità di creare dispositivi alimentati a energia solare non solo efficienti e durevoli, ma anche privi di componenti tossici o non sostenibili, una piattaforma fondamentale per produrre combustibili e sostanze chimiche verdi in futuro. La ricerca è stata sostenuta in parte dall'Agenzia di Singapore per la Scienza, la Tecnologia e la Ricerca, dal Consiglio Europeo della Ricerca, dalla Fondazione Nazionale Svizzera per la Scienza e da UK Research and Innovation.