Солнце является наиболее устойчивым источником энергии, доступным на нашей планете, и его можно использовать для фотохимических реакций. В журнале Angewandte Chemie ученые представляют широко применимый экономичный фотомикрореактор. Он основан на «люминесцентных солнечных концентраторах», которые собирают, преобразуют и делают фотоны доступными для химических реакций. Таким образом, исследователи смогли синтезировать различные вещества, в том числе два фармацевтических препарата.
На сегодняшний день исследования в области использования солнечного света сосредоточены на солнечной электроэнергии, солнечной тепловой энергии и солнечном топливе, в то время как синтез химических веществ на солнечной энергии все еще находится в зачаточном состоянии. Энергия света может привести в действие химические реакции; например, переводя катализатор в возбужденное состояние и тем самым ускоряя реакцию или даже делая ее возможной. Однако солнце как источник света в определенных отношениях невыгодно, так как основная часть солнечной спектральной освещенности (лучистый поток, получаемый поверхностью на единицу площади) приходится на относительно узкий видимый диапазон. Более того, колебания освещенности вызваны такими явлениями, как прохождение облаков.
Ученые из Технологического университета Эйндховена (Нидерланды) и Института коллоидов и интерфейсов им. Макса Планка (Потсдам, Германия) впервые показали, что разнообразный набор управляемых фотонами преобразований может быть эффективно питание от солнечного излучения. Секрет успеха - специально разработанный экономичный «фотомикрореактор» на основе люминесцентных солнечных концентраторов (ЛСК).
LSC состоят из светопроводящих пластин из полиметилметакрилата (ПММА), легированного специальными люминофорами, которые улавливают фотоны солнечного спектра и затем испускают их в виде флуоресценции с более длинноволновыми характеристиками для использования люминофором. Таким образом, солнечный свет концентрируется в узком диапазоне длин волн, и колебания спектрального распределения, зависящие от дневного света и погоды, становятся незначительными.
Крошечные каналы из стойкого к растворителям полимера встроены в плиты LSC, которые содержат реакционную смесь. Световой датчик, отслеживающий интенсивность света, подключен к интегральной схеме, которая автономно регулирует скорость потока смеси: чем ниже интенсивность света, тем медленнее смесь проходит канал, тем самым получая дозу света, необходимую для адекватного выхода реакции. При этом компенсируются колебания солнечного излучения, а качество продукта остается стабильным.
Выбор легирующих люминофоров зависит от длины волны, необходимой для возбуждения катализатора. Группа под руководством Тимоти Ноэля создала красный, зеленый и синий реакторы LSC для реакций, катализируемых фотокатализаторами метиленовым синим для красного устройства, эозином Y и бенгальской розой для зеленого и комплексами металлов на основе рутения для синего реактора. «С помощью этих устройств нам удалось синтезировать противогельминтный аскаридол и промежуточный продукт противомалярийного препарата артемизинин», - говорит Ноэль. «Подход к производству на основе солнечной энергии представляет большой интерес для продуктов с высокой добавленной стоимостью, таких как тонкие химикаты, лекарства и ароматы. Он особенно подходит для условий с ограниченными ресурсами».