Природный катализатор приблизит эру солнечной энергетики

Известно, что основой жизни на планете является процесс фотосинтеза, в ходе которого энергия солнечного света преобразуется растениями в энергию органических соединений. Считается, что фотосинтез зародился около 3,2 млрд. лет назад, когда примитивные бактерии «научились» использовать солнечные лучи для расщепления молекул воды на водород и кислород – цепь химических реакций, играющих фундаментальную роль в процессе фотосинтеза.

По сообщению Physorg, международной группе ученых под руководством коллег из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (США) удалось выявить точную структуру катализатора, состоящего из четырех атомов марганца и одного атома кальция, который отвечает за реакцию гидролиза воды. В результате открывается перспектива синтеза молекул, обладающих свойствами этого катализатора, а значит и развития энергетики, в которой солнечный свет будет использоваться для гидролиза воды и получения водорода для питания экологически чистых топливных элементов.

Ученые использовали революционную комбинацию из методов рентгеновской спектроскопии и кристаллографии белков, позволившую получить недостижимую ранее точность изображения молекул металлического катализатора. При этом удалось описать, с разрешением порядка 0,15 ангстрем, структуру кристаллов Mn₄Ca – активного каталитического центра фотосинтетического белкового комплекса.

Металлический катализатор расположен в крупном белковом комплексе, называемом фотосистема II, обнаруживаемом у растений, зеленых и сине-зеленых водорослей. Именно он обеспечивает непревзойденную эффективность расщепления молекул воды за счет только лишь энергии солнечного света.

Одной из основных проблем на пути изучения структуры катализатора была его чувствительность к воздействию мощного рентгеновского излучения, применяемого для рентгеновской спектроскопии. Для преодоления этой проблемы специалисты из лаборатории Беркли объединили данные измерений тонкой структуры методами спектроскопии с данными кристаллографических исследований методом рентгеновской рефрактометрии.

Изучение структур методом рефрактометрии при умеренном разрешении позволило выявить их общую форму и положение катализатора внутри белкового комплекса. Спектроскопические измерения высокого разрешения обеспечили информацию о расстояниях и ориентации активного центра.

При такой комбинации методов кластер Mn₄Ca подвергается в целом намного менее сильному радиационному воздействию, а достигаемое общее разрешение значительно выше, чем при других методах исследования. В результате удалось выявить реальное тонкое строение трех структур активного центра фотосистемы II.

Теперь ученые получили возможность точного определения того, каким образом солнечный свет используется организмами-фотосинтетиками для гидролиза молекул воды. Это открывает перспективу развития «чистой» солнечной энергетики, более эффективной, чем современная энергетика на основе традиционных фотоэлементов.