인공 광합성: 연구자들이 식물을 모방하다

인공 광합성을 통해 인류는 태양 에너지를 이용해 이산화탄소를 결합하고 수소를 생산할 수 있었습니다. 화학자들은 한 단계 더 나아갔습니다. 그들은 식물의 광합성 장치에 매우 가까운 염료 스택을 합성했습니다. 그것은 빛 에너지를 흡수하고, 그것을 사용하여 전하 캐리어를 분리하고, 스택에서 빠르고 효율적으로 전달합니다.

광합성은 놀라운 과정입니다. 식물은 이를 사용하여 간단한 시작 물질인 이산화탄소와 물에서 당 분자와 산소를 생성합니다. 이 복잡한 과정에 필요한 에너지를 햇빛에서 얻습니다.

인간이 광합성을 모방할 수 있다면 많은 이점이 있을 것입니다. 태양의 무료 에너지는 대기에서 이산화탄소를 제거하고 탄수화물과 다른 유용한 물질을 만드는 데 사용할 수 있습니다. 광합성은 물을 산소와 수소로 분해하므로 수소를 생산하는 것도 가능할 것입니다.

광합성: 많은 참여자가 있는 복잡한 과정

그래서 많은 연구자들이 인공 광합성을 연구하는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 광합성은 매우 복잡한 과정이기 때문에 쉬운 일이 아닙니다. 광합성은 식물 세포에서 여러 개별 단계로 일어나고 수많은 염료, 단백질 및 기타 분자를 포함합니다. 그러나 과학은 끊임없이 새로운 발전을 이루고 있습니다.

인공 광합성 분야의 선도적 연구자 중 한 명은 독일 바이에른 주 율리우스 막시밀리안 대학교(JMU) 뷔르츠부르크의 화학자 프랭크 뷔르트너 교수입니다. 그의 팀은 이제 정교한 인공 염료 배열로 자연 광합성의 첫 단계 중 하나를 모방하고 이를 보다 정확하게 분석하는 데 성공했습니다.

이 결과는 서울(한국) 연세대학교 김동호 교수의 그룹과 협력하여 얻어졌으며, Nature Chemistry 저널에 게재되었습니다.

스태킹 시스템에서의 빠르고 효율적인 에너지 전송

연구자들은 식물 세포의 광합성 장치와 매우 유사한 염료 스택을 합성하는 데 성공했습니다. 한쪽 끝에서 빛 에너지를 흡수하고, 이를 사용하여 전하 캐리어를 분리하고, 전자 수송을 통해 단계적으로 다른 쪽 끝으로 전달합니다. 이 구조는 페릴렌 비스이미드 계열의 4개의 스택된 염료 분자로 구성되어 있습니다.

'우리는 이 구조에서 빛으로 전하 수송을 구체적으로 촉발할 수 있으며, 이를 자세히 분석했습니다. 효율적이고 빠릅니다. 이는 인공 광합성 개발을 향한 중요한 단계입니다.' 적층 구조를 합성한 JMU 박사과정 학생 Leander Ernst가 말했습니다.

연구 작업의 목표로서의 초분자 와이어

다음으로, JMU 연구팀은 스택된 염료 분자의 나노 시스템을 4개에서 그 이상의 구성 요소로 확장하고자 합니다. 궁극적으로는 빛 에너지를 흡수하여 더 먼 거리로 빠르고 효율적으로 전달하는 일종의 초분자 와이어를 만드는 것이 목표입니다. 이는 인공 광합성에 사용할 수 있는 새로운 광기능성 소재를 향한 또 다른 단계가 될 것입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250314113821.htm