Фоточувствительные соединения, встроенные в искусственную мембрану могут улавливать энергию света в соответствии с механизмом, который реализуется подобно механизму действия протонному насосу, который работает в биологических клетках.

Исследователи из Швейцарии отмечают, что разработанная в их группе мембрана предоставляет новые возможности по улавливанию солнечной энергии и созданию искусственных фотосинтетических систем.

В живых клетках протонные насосы представляют собой транспортные белки, которые переносят ионы гидроксония через мембраны. Благодаря их действию создается протонных градиент, способствующий тому, что значения pH и зарядов на различных сторонах мембраны существенно различаются, и это обеспечивает хранение электрохимической энергии.

Эрик Баккер (Eric Bakker) из Университета Женевы создал протонный насос, применив фотохромные спиропирановые производные, которые под воздействием света могут переходить в различные формы. При облучении ультрафиолетом спиропирановый цикл раскрывается с образованием мероцианина – флуоресцентного красителя, который может протонироваться, а при облучении видимым светом проходит депротонирование системы и регенерация спиропирановой формы.

Исследователи из группы Баккера получили закрепленную жидкую мембрану (supported liquid membrane), импрегнированную спиропирановыми молекулами и погрузили ее в раствор хлороводородной кислоты. Одну сторону этой мембраны освещали ультрафиолетом, а другую – видимым светом. Со стороны, освещаемой ультрафиолетом, спиропиран превращался в мероцианин и поглощал протоны из раствора, после чего протонированный мероцианин проходил через мембрану и в результате облучения видимым светом высвобождал протоны. Эти процессы обеспечивали создание протонного градиента, достаточного для генерации тока небольшой силы. Смена местами источников облучения местами приводила к изменению направления движения электрического тока.

Разность потенциалов, которая создается благодаря работе новой системы, невелика – всего 210 мВ, а эффективность конверсии энергии света в энергию электрическую составляет всего 0.12%, однако даже эти результаты можно считать существенным улучшением прежних попыток конвертировать энергию света. До настоящего времени фотоперерабатывающие мембраны нужно было облучать в течение часов для получения разности потенциалов в 100 мВ, а новая система справилась с достижением пиковой разности потенциалов всего за несколько минут облучения.

Баккер заявляет, что протонный насос на основе спиропирановых систем до настоящего времени еще никто не создавал. Исследователь надеется, что принципы, которые были использованы при выполнении этой работы, могут оказаться полезными для создания новых подходов в утилизации солнечной энергии, признавая, конечно, что система еще нуждается в значительной степени модернизации. Так, в настоящее время мембрана обладает еще не очень высокой фотоустойчивостью, что ограничивает ее выходную мощность и коэффициент полезного действия.

Аналогичного мнения придерживается Стив Данн (Steve Dunn), эксперт по светособирающим материалам из Университета Королевы Марии (Лондон). Он подчеркивает, что его швейцарские коллеги продемонстрировали новый и интересный принципиальный подход к конверсии солнечной энергии, однако для полноценной работы надежность и долговечность мембраны нужно увеличить.