Winning zonne-energie met synthetische moleculen

Amerikaanse onderzoekers hebben een molecule geconstrueerd waarmee het proces van fotosynthese kan worden nagebootst: het proces waarmee groene planten lichtenergie van de zon omzetten in chemische energie. Het molecule, gemaakt door onderzoekers van Arizona State University, is een lange en ingewikkelde constructie van meer dan 150 atomen, opgebouwd uit chemische structuren die men porfyrinen, carotenoiden en chinonen noemt. Deze structuren komen ook voor in de pigmenten (kleurstoffen) waarmee planten hun licht verzamelen, maar dan in andere configuraties.

Als een lichtdeeltje (foton) een van de ringstructuren in het centrum van het molecule treft, wordt er een atoom aangeslagen en komt een van de elektronen daarvan in een hogere energietoestand terecht. Zoals gebruikelijk wil het daaruit weer terugspringen, maar het molecule is nu zodanig opgebouwd dat dit terugspringen naar een naburig atoom gebeurt, vervolgens naar een daarnaast gelegen atoom, zodat het elektron zich in de richting van het uiteinde van het molecule verplaatst. Dit krijgt daardoor aan die kant een negatieve lading, terwijl de tegenovergestelde kant positief wordt.

Dit elektronentransport is in feite hetzelfde als dat bij fotosynthese in de levende natuur, maar daar is het aantal stappen veel geringer doordat er direct chemische reacties plaatsvinden (die onder andere tot de produktie van suikers en zuurstof leiden). Al eerder waren onderzoekers erin geslaagd moleculen te maken die op deze manier een elektrische lading kregen, maar deze bleven slechts 0,3 microseconden gescheiden alvorens de energie in de vorm van warmte of licht weer verdween. Het nu gemaakte molecule houdt de ladingen 55 microseconden gescheiden, wat voldoende lang is om de elektronen via andere moleculen of geleiders 'af te tappen' (New Scientist 26 mei, p. 34). Dit aftappen zou bijvoorbeeld kunnen gebeuren door de moleculen zodanig door een membraan te steken, dat de uiteinden die negatief worden allemaal aan dezelfde kant komen te zitten. Met de elektronen zouden dan chemische reacties tot stand kunnen worden gebracht, waarbij energie wordt opgeslagen voor later gebruik. Dit is ongeveer het principe waarmee in een accu elektrische energie wordt opgeslagen.

De moleculen zouden echter ook alle in dezelfde richting in een dunne film kunnen worden ingebed, waarvan de uiteinden met elektrische geleiders worden verbonden, zo suggereren de onderzoekers. Ladingsscheiding in de molecuulfilm zou dan tot een elektrische stroom kunnen leiden, zij het natuurlijk wel een heel zwakke. Eventuele toepassingen van zulke moleculen zouden dan ook vooral op het gebied van de micro-elektronica moeten worden gezocht. (George Beekman).