Van bellenblaas tot brandstof: maakt dit bijzondere zeeplaagje binnenkort kunstmatige fotosynthese mogelijk?
Een zeeplaagje waarvan chemisch gezien beide zijden verschillend zijn. Het is de nieuwste doorbraak in het onderzoek van de groep van chemicus Sylvestre Bonnet. Deze unieke zeepfilm, en een innovatief apparaat dat voortdurend nieuwe zeepfilms kan produceren, vormen samen belangrijke puzzelstukjes voor de ontwikkeling van kunstmatige fotosynthese.
Planten hebben een uniek vermogen: geef ze voldoende zuurstof en water, en met behulp van zonlicht zetten ze deze ingrediënten om in zuurstof en suiker, hun bron van energie. Onderzoekers zoeken manieren om dit proces na te bootsen, zodat we met behulp van lichtgevoelige moleculen geen suiker, maar duurzame brandstof kunnen produceren.
Zeep: makkelijk, goedkoop en energiezuinig
Dit kan op verschillende manieren. Maar in het SoFia-project, dat in de zomer van 2023 is afgerond, richtten Bonnet en zijn collega’s zich op zeepfilms. ‘Hiermee bootsen we het membraam en de lichtgevoelige moleculen na die een plant gebruikt voor fotosynthese’, legt Bonnet uit. ‘Zeep is een goedkoop materiaal, en het kost weinig energie om de zeepfilms te maken.’ Het uiteindelijke doel is om koolstofmonoxide (CO) te produceren. Bonnet: ‘Een cruciaal ingrediënt voor syngas: een mengsel van koolstofmonoxide en waterstofgas. Dat gasmengsel kun je weer omzetten in vloeibare brandstof, bijvoorbeeld voor auto’s.’
Zeep erin, gassen eruit
Het team ontwikkelde een machine die lichtgevoelige moleculen toevoegt aan de zeep, en daarna een constante stroom van uniforme zeepbellen produceert. Onder invloed van licht en onder de juiste omstandigheden, kan dan uiteindelijk fotosynthese plaatsvinden op de zeepfilms van deze bellen. Als dat lukt, dan worden de eindproducten van de fotochemische reactie aan de onderkant van het apparaat automatisch van elkaar gescheiden.
‘Asymmetrie is cruciaal’
Er was echter nog één probleem: voor fotosynthese is een zeepfilm nodig die aan beide zijden verschillend is. ‘Dat is een fundamenteel aspect in de natuur’, legt Bonnet uit. ‘Wanneer je energie omzet in een andere vorm van energie, is er asymmetrie vereist. Het celmembraan van een plant is ook asymmetrisch, evenals, net als het membraam van de mitochondriën, de energiefabriekjes in onze cellen. Op grotere schaal kun je denken aan een motor, waarbij chemische energie wordt omgezet in beweging. Een motor werkt altijd maar één kant op.’
Hoe verander je een zeepfilm zonder hem te laten knappen?
Van nature zijn de zijdes van een zeepfilm chemisch gelijk aan elkaar. De onderzoekers moesten dus een manier vinden om de chemie aan te passen zonder de fragiele zeepfilm kapot te maken, ofwel: de bellen te doen knappen. Bonnet: ‘We moesten op beide zijden verschillende moleculen aanbrengen, maar dat was best lastig. Als we het met een pipet probeerden, gingen de bellen kapot. Uiteindelijk gebruikten we een speciale nevelspray gemaakt door collega Cees van Rijn van de Universiteit van Amsterdam. Met die spray konden we heel voorzichtig onze lichtgevoelige moleculen op de zeepfilm aanbrengen. Met spectometrie konden we bewijzen dat de twee kanten van de zeepfilm van elkaar verschillen.’
Ambitieuze puzzel steeds meer compleet
Nu is er een machine die automatisch zeepfilms maakt én een techniek om deze films chemisch geschikt te maken voor fotosynthese. 'Ook hebben we al geëxperimenteerd met het maken van waterstof met behulp van schuim dat reageert op blauw licht,' voegt Bonnet toe. 'Deze drie stappen moeten we nu combineren. Het uiteindelijke doel: een machine die asymmetrische zeepfilms maakt. Die, wanneer je er licht op schijnt, aan de ene kant brandstof levert en aan de andere kant zuurstof. Dat is behoorlijk revolutionair en ambitieus. Maar inmiddels hebben we al een aantal cruciale puzzelstukjes en zijn op de goede weg.'
Voor zes weken op bezoek
In het SOFIA project is een van onze partners het Politecnico di Torino in Italie. Twee onderzoekers van dit instituut hebben vier jaar lang samengewerkt binnen SOFIA. Eén van deze onderzoekers, Luca Bergamasco, heeft een HRSMC-beurs ontvangen om zes weken naar Leiden te komen en verder met het device te experimenteren. Sinds 11 januari is hij hiermee aan de slag gegaan.
Verder lezen
New Scientist over de ontdekking: Strange material made of soap could be used for photosynthesis (€)
Lees de volledige paper: Realizing Symmetry-Breaking Architectures in Soap Films. Nidhi Kaul, Luca Bergamasco, Hongwei Song, Thijs Varkevisser, Agnese Amati, Gabriele Falciani, Cees J. M. van Rijn, Eliodoro Chiavazzo, Indraneel Sen, Sylvestre Bonnet, and Leif Hammarström. Phys. Rev. Lett. 132, 028201 – 2024