Chong Liu one-ups fotosinteza plantelor

Chong Liu, 30 de ani
Chimist anorganic
UCLA

SN 10 - lista completă a oamenilor de științăPentru Chong Liu, a pune o întrebare științifică este ceva asemănător cu a pune un pariu: vă depuneți toată energia în abordarea unei probleme mari și provocatoare, fără nicio garanție a unei recompense. Ca student, a pariat că ar putea crea un instrument care fotosintetizează ca o frunză pe un copac – dar mai bine. Pentru chimistul acum în vârstă de 30 de ani, pariul dă roade.

„El a deschis un nou domeniu”, spune Peidong Yang, un chimist la Universitatea din California, Berkeley, care a fost doctoratul lui Liu. consilier. Liu a fost printre primii care au combinat bacteriile cu metale sau alte materiale anorganice pentru a reproduce reacțiile chimice generatoare de energie ale fotosintezei, spune Yang. Abordarea lui Liu asupra fotosintezei artificiale poate fi într-o zi deosebit de utilă în locuri fără infrastructură energetică extinsă.

Liu a devenit pentru prima dată interesat de chimie în timpul liceului și s-a specializat în această materie la Universitatea Fudan din Shanghai. Își amintește că s-a simțit frustrat la școală când punea întrebări și i se spunea că răspunsul depășea sfera a ceea ce trebuia să știe. Cercetarea a fost o șansă de a căuta răspunsuri pe cont propriu. Și problema fotosintezei artificiale părea ceva substanțial în care să se arunce – destul de provocator „deci [I] nu ar fi șomer în 10 sau 15 ani”, glumește el.

Fotosinteza este un proces simplu, dar puternic: lumina soarelui ajută la transformarea dioxidului de carbon și a apei în energie chimică stocată în legăturile chimice ale moleculelor de zahăr. Dar, în natură, procesul nu este deosebit de eficient, transformând doar 1% din energia solară în energie chimică. Liu a crezut că s-ar putea descurca mai bine cu un sistem hibrid.

Povestea continuă sub grafic

Eficiența fotosintezei naturale este limitată de pigmenții care absorb lumina din plante sau bacterii, spune el. Oamenii au conceput materiale care absorb lumina mult mai eficient. Dar când vine vorba de transformarea acelei energii luminoase în combustibil, bacteriile strălucesc.

„Prin o abordare hibridă, profitați de ceea ce fiecare parte este mai bună”, spune Dick Co, directorul general al Institutului de Combustibili Solari de la Universitatea Northwestern din Evanston, Illinois.

Inspirația timpurie a lui Liu a fost o încercare din epoca Apollo de a construi un sistem de susținere a vieții pentru misiunile spațiale cu echipaj. Ideea a fost de a folosi materiale anorganice cu bacterii specializate pentru a transforma dioxidul de carbon expirat de astronauți în hrană. Dar primele încercări nu au mers nicăieri.

„Eficiența a fost teribil de scăzută, mult mai rău decât te-ai aștepta de la plante”, spune Liu. Și bacteriile au continuat să moară – probabil pentru că alte părți ale sistemului produceau molecule care erau toxice pentru bacterii.

Ca student absolvent, Liu a decis să-și folosească înțelegerea chimiei anorganice pentru a construi un sistem care să funcționeze alături de bacterii, nu împotriva lor. El a proiectat mai întâi un sistem care folosește nanofire acoperite cu bacterii. Nanofirele colectează lumina solară, la fel ca stratul de absorbție a luminii de pe un panou solar, iar bacteriile folosesc energia din lumina solară pentru a efectua reacții chimice care transformă dioxidul de carbon într-un combustibil lichid, cum ar fi izopropanolul.

În calitate de bursier postdoctoral în laboratorul chimistului Daniel Nocera de la Universitatea Harvard, Liu a colaborat la o abordare diferită. Nocera a lucrat la o „frunză bionică” în care panourile solare furnizează energia necesară pentru a împărți apa în hidrogen și oxigen gazos. Atunci, Ralstonia eutropha bacteriile consumă hidrogenul gazos și atrag dioxidul de carbon din aer. Microbii sunt modificați genetic pentru a transforma ingredientele în izopropanol sau alt combustibil lichid. Dar proiectul s-a confruntat cu multe dintre aceleași probleme ca și alte încercări de fotosinteză artificială pe bază de bacterii: eficiență scăzută și multe bacterii moarte.

„Chong și-a dat seama cum să facă sistemul extrem de eficient”, spune Nocera. „El a inventat catalizatori biocompatibili” care declanșează reacțiile chimice din interiorul sistemului fără a ucide bacteriile care generează combustibil. Acest progres a necesitat să parcurgem nenumărate lucrări științifice pentru a găsi indicii despre modul în care diferitele materiale ar putea interacționa cu bacteriile și apoi testarea multor opțiuni diferite în laborator. În cele din urmă, Liu a înlocuit catalizatorii problematici ai sistemului original – care au creat un tip de moleculă de oxigen extrem de reactiv, care ucide microbii – cu cobalt-fosfor, care nu a deranjat bacteriile.

Chong este „foarte priceput și deschis la minte”, spune Nocera. „Abilitatea lui de a integra diferite domenii a fost un mare atu.”

Echipa a publicat rezultatele în Ştiinţă în 2016, raportând că dispozitivul a fost de aproximativ 10 ori mai eficient decât plantele la eliminarea dioxidului de carbon din aer. Cu 1 kilowatt-oră de energie care alimentează sistemul, a calculat Liu, acesta ar putea recicla tot dioxidul de carbon din peste 85.000 de litri de aer în alte molecule care ar putea fi transformate în combustibil. Folosind bacterii diferite, dar aceeași configurație generală, cercetătorii au transformat mai târziu azotul gazos în amoniac pentru îngrășământ, ceea ce ar putea oferi o abordare mai durabilă a metodei de consumare a energiei utilizată astăzi pentru producția de îngrășăminte.

Bacteriile din sol desfășoară reacții similare, transformând azotul atmosferic în forme care sunt utilizabile de către plante. Acum, la UCLA, Liu își lansează propriul laborator pentru a studia modul în care componentele anorganice ale solului influențează capacitatea bacteriilor de a rula aceste și alte reacții chimice importante. El vrea să înțeleagă relația dintre sol și microbi – nu un salt atât de nebun pe cât pare, spune el. Lucrurile pe care le puteți săpa din grădina voastră sunt, la fel ca abordarea lui asupra fotosintezei artificiale, „materiale anorganice plus chestii biologice”, spune el. „Este un amestec.”

Liu este gata să pună un nou pariu – de data aceasta pe recrearea reacțiilor în sol, în același mod în care a imitat reacțiile dintr-o frunză.