Een zeepfilm met chemisch verschillende kanten vertegenwoordigt de nieuwste doorbraak in onderzoek onder leiding van chemicus Sylvestre Bonnet. Deze unieke zeepfilm vormt, samen met een innovatief apparaat dat in staat is om continu nieuwe zeepfilms te produceren, een cruciaal puzzelstukje voor de ontwikkeling van kunstmatige fotosynthese. Het onderzoek is gepubliceerd in Physical Review Letters .

Planten bezitten een uniek vermogen:ze voorzien ze van voldoende zuurstof en water en met behulp van zonlicht zetten ze deze ingrediënten om in zuurstof en suiker, hun energiebron. Onderzoekers onderzoeken manieren om dit proces na te bootsen, met als doel duurzame brandstof te produceren in plaats van suiker met behulp van lichtgevoelige moleculen.

Dit zou op verschillende manieren bereikt kunnen worden. In het SoFia-project, dat in de zomer van 2023 werd afgerond, concentreerden Bonnet en zijn collega's zich echter op soapfilms.

“Hier bootsen we de membraan- en lichtgevoelige moleculen na die een plant gebruikt voor fotosynthese”, legt hij uit. "Zeep is een goedkoop materiaal en er is weinig energie nodig om de zeepfilms te maken."

Het uiteindelijke doel is het produceren van koolmonoxide (CO). Bonnet stelt:"Een cruciaal ingrediënt voor syngas – een mengsel van koolmonoxide en waterstofgas – dit gasmengsel kan vervolgens weer worden omgezet in vloeibare brandstof, geschikt voor voertuigen."

Het team ontwikkelde een machine die lichtgevoelige moleculen aan de zeep toevoegt en vervolgens een continue stroom uniforme zeepbellen produceert. Onder invloed van licht en onder de juiste omstandigheden kan er uiteindelijk fotosynthese plaatsvinden op de zeepfilms van deze belletjes. Indien succesvol worden de eindproducten van de fotochemische reactie automatisch gescheiden aan de onderkant van het apparaat.

Er was echter één probleem:voor de fotosynthese is een zeepfilm nodig die aan beide zijden chemisch verschillend is. ‘Dat is een fundamenteel aspect in de natuur’, legt Bonnet uit. “Als je energie omzet in een andere vorm van energie, is asymmetrie nodig. Ook het celmembraan van een plant is asymmetrisch, net als onze huid. Op grotere schaal kun je denken aan een motor, waarbij chemische energie wordt omgezet in beweging. Een motor werkt altijd in één richting."

Hoe maak je een zeepfilm op maat zonder deze te breken?

Uiteraard zijn de zijkanten van een zeepfilm chemisch identiek. De onderzoekers moesten een manier vinden om de chemie te veranderen zonder de kwetsbare zeepfilm te breken of, met andere woorden, zonder de bellen te laten barsten.

Bonnet legt uit:‘We moesten aan beide kanten verschillende moleculen aanbrengen, maar dat was best een uitdaging. Toen we het met een pipet probeerden, barsten de belletjes. Uiteindelijk hebben we een speciale mistspray gebruikt, gemaakt door collega Cees van Rijn van de Universiteit. uit Amsterdam. Met die spray konden we onze lichtgevoelige moleculen subtiel op de zeepfilm aanbrengen. Spectrometrie bevestigde dat de twee zijden van de resulterende zeepfilm inderdaad verschillend zijn."

Nu is er een machine die automatisch zeepfilms produceert en een techniek om deze films chemisch voor te bereiden op fotosynthese. "We hebben ook geëxperimenteerd met het produceren van waterstof door blauw licht op fotokatalytisch schuim te laten schijnen", voegt Bonnet toe.

‘Die drie stappen moeten we nu combineren. Het uiteindelijke doel:een machine die asymmetrische zeepfilms maakt. Die, als je er licht op laat schijnen, aan de ene kant brandstof levert en aan de andere kant zuurstof. Dat is best revolutionair en ambitieus. We hebben echter al een aantal cruciale stukjes van de puzzel en zijn op de goede weg."

Meer informatie: Nidhi Kaul et al., Symmetrie-doorbrekende architecturen realiseren in soapfilms, Fysieke recensiebrieven (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.028201

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Aangeboden door Universiteit Leiden