(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギー発生のための光電気化学的方法であって、以下を含む：
少なくとも水溶性のメラニン、メラニン前駆体、メラニン誘導体、メラニン類似物質およびメラニン変異体のいずれか、キノン類、および光を使用し、水を酸化または光電解し、次いで水素原子で酸素原子を還元して、Ｈ２Ｏ分子を再生成する；
前記光電解は前記光に励起された電子がメラニン、メラニン前駆体、メラニン誘導体、メラニン類似物質およびメラニン変異体のいずれかの外部から内部へ運搬されるときに開始し、次いで低エネルギー電子から高エネルギー電子を生成し、高エネルギー電子は、キノン類によりメラニン、メラニン前駆体、メラニン誘導体、メラニン類似物質およびメラニン変異体のいずれかの反応中心に移動し、反応中心で受容体に捕捉され、別の電子の第一受容体に引き渡され、該電子の運搬は陽子勾配を形成しつつエネルギーを遊離し、正に帯電した供与体または酸化剤および負に帯電した受容体または還元剤を形成し；
前記光電解はＯ２分子および４Ｈ＋を生成し、２の水分子から４電子の移動を伴い、該移動は各電子につき１ずつ４光子を吸収し；
前記光電解は、発エルゴン反応でありかつエネルギーを消費し；
続く前記酸素原子の水素原子による還元は、水分子とそれに伴うエネルギーを生成し；
前記プロセスの全体は、２〜４５℃およびｐＨ２〜９で行われる、光電気化学的方法。
【請求項２】
前記メラニン、メラニン前駆体、メラニン誘導体、メラニン類似物質およびメラニン変異体のいずれかの、粒径が１Åで電気活性であり、前記メラニン、メラニン前駆体、メラニン誘導体、メラニン類似物質およびメラニン変異体のいずれかは懸濁液中、溶液中またはゲル中に存在し、天然物または植物、動物、鉱物もしくはそれらの混合物由来の人工物であり、純粋物またはこれらの、もしくは、無機物もしくは有機物との、すなわちドープされた、混合物であり、前記メラニン、メラニン前駆体、メラニン誘導体、メラニン類似物質およびメラニン変異体のいずれかのシステム中の濃度が、０．１〜１００％である請求項１に記載の光電気化学的方法。
【請求項３】
前記光が、波長２００〜９００ｎｍの自然光もしくは他の光源からの光であり、集束光、コヒーレント光もしくは発散光である請求項１または２に記載の光電気化学的方法。
【請求項４】
反応におけるｐＨが７前後である請求項１〜３のいずれか一項に記載の光電気化学的方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の光電気化学的方法において、エネルギー発生のための電解物質としての、メラニン、メラニン前駆体、メラニン誘導体、メラニン類似物質およびメラニン変異体のいずれかの使用。
【請求項６】
前記電気化学的プロセスが、電気エネルギーを発生するか、またはバッテリーまたは蓄電池として電気エネルギーを蓄える請求項５に記載の使用。
【請求項７】
前記電気化学的プロセスが、二酸化炭素、硫酸塩または硝酸塩を代わりに還元する、請求項５または６に記載の使用。
【請求項８】
前記電気化学的プロセスが、Ｏ２分子を生成するか、または、酸素の部分的な還元により、超酸化アニオン、過酸化水素もしくはヒドロキシル（ｈｙｄｒｏｘｙｌｓ）を代わりに得る請求項５〜７のいずれか一項に記載の使用。
【請求項９】
モノリシック設計中に半導体材料、および水の電解物質であるメラニン、メラニン前駆体、メラニン誘導体、メラニン類似物質およびメラニン変異体のいずれかを一体化させた反応セルと、電極を備えた光エネルギー源、光を集束または選択するためのレンズ、を含む、メラニン、メラニン前駆体、メラニン誘導体、メラニン類似物質およびメラニン変異体のいずれかを用いてエネルギーを生成するか保存する請求項１〜４のいずれか一項に記載の光電気化学的プロセスを実施する装置。
【請求項１０】
前記セルは反応系の活性化のための電磁波を透過させる材料で形成され、間仕切りを設けることができ、前記メラニン、メラニン前駆体、メラニン誘導体、メラニン類似物質およびメラニン変異体のいずれかは酸化還元性を有し、前記セルの容積は少なくとも１μＬであり、セル内のガス分圧は０．１ｍｍＨｇ〜４気圧である、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記レンズは、両凸、または、集光のために露光する面が凸であり他方の面が平面であるマイクロレンズであり、前記レンズは０．１〜１００ジオプトリーである請求項９または１０に記載の装置。
【請求項１２】
バッテリーまたは蓄電池として、電気エネルギーを蓄える請求項９〜１１のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の技術分野
本発明は、代替エネルギーを得るためのプロセス又は方法に関し、特に光電気化学的プロセスとして知られており、水分子を分離又は分割することによって、水素原子及び酸素原子を得、それにより水素原子及び酸素原子を生成するものに関する。さらに、高エネルギー電子を発生させ、この方法は二酸化炭素、硝酸塩及び硫酸塩の分子の還元に適用できる可能性が大いにあるものである。
【０００２】
反応は両方向に生じるので、本発明は発電にも応用できる。この方法では水素原子及び酸素原子を結合して水分子を生成することもできるため、副次的に電流を発生させることができる。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
関連する技術分野では、今日、水分子を水素及び酸素原子に分離する公知のプロセスで現在までに用いられているのは、次のうちのものである。
【０００４】
ａ）高電流を流す。
【０００５】
ｂ）水を摂氏２０００度まで加熱する。
【０００６】
ｃ）太陽光による電気化学的方法（光電気化学的方法）を用いた水分子の分離であり、この方法は、半導体材料及び水の電解物質をモノリシック設計で一体化し、唯一のエネルギー源として光を利用し、水から直接水素を生産する。発想は単純であり、課題はプロセス全体を支えることのできる物質あるいは基材を見つけることであったが、現在まで理想的な、あるいは適当なものは見つかっていない。なぜなら、それらの物質は非常に高価であったり、汚染物質であったり、非効率的であったり、また、それらの大部分は即座に分解したり、他のものは水と合わさると劣化したり、その他にもあるものは極端に厳しい作業条件が必要とされる。それ故に、経済、環境保護及び政治などの観点から、今のところ費用対効果の見通しが立てられずにおり、さらに、その他のものは特殊で細かいプロセスへと実用性を減ずることになり、大規模な応用に適していない。
【０００７】
ｄ）水を分離する別の方法に、摂氏２０００度まで水温を上げるために、太陽光エネルギーの集中（例えば鏡を利用して）がある。これは、実験室で水分子を分解するのに必要な温度である。
【０００８】
ｅ）またもうひとつの方法に、光エネルギーを主なエネルギー源として利用し、代謝活動の一部として水中で水素を放出する緑藻又はシアノバクテリアのような光合成微生物を利用するものがある。この光生物学的技術は有望なものであるが、水素と共に酸素も生成するため、これら酵素系の酸素に対する感度の限界を解決しなければならない。他にも、現状では光合成生物から生み出される水素は非常に少なく、経済的な見通しが成り立たない。
【０００９】
ｆ）さらに別の方法には水の電気分解があり、電気を利用して水分子をその構成要素（水素及び酸素の原子）に分離する。現在、水素の商業生産にはアルカリ及び陽子交換膜という二種類の電解槽が用いられているが、これらのアプローチは、経済的観点から見て、天然ガスからの水素の製造に対し今のところ競争力を持たない（出典：Ｕ．  Ｓ．  Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｅｎｅｒｇｙ．  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ａｎｄ  Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ  Ｅｎｅｒｇｙ，  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ，  Ｆｕｅｌ  ＣｅＩＩｓ  ａｎｄ  Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ｐｒｏｇｒａｍ，  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ，  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ＆  Ｄｅｌｉｖｅｒｙ．）。
【００１０】
水の分子を分割又は分離でき、すでに研究されている天然材料に葉緑素がある。しかし光に対する吸収は４００ｎｍから約７００ｎｍの間であるため、残りの光エネルギーは失われてしまう。よって利用するエネルギーの８０％が無駄となると推定される。さらに、例えば−８℃の温度が必要であるなど、その製造は複雑かつ高価である。これらの理由から、メラニンを水の電解成分として利用することにした。なぜならば、そのスペクトルにおける吸収が２００ｎｍから９００ｎｍに亘るため、かつ、メラニンが通常生成する組織の生理学的特徴のためである。酸素の濃度のようなパラメータは注目に値し、それ故に、メラニンに光を照射したときに、水の分子の光分解が起き、したがって、その他のＯＨ、過酸化水素、超酸化アニオンならびに高エネルギー電子と共に、水素及び酸素原子が発生し、また同様に逆反応も支援及び触媒する、という仮説を検証することにした。
【００１１】
本研究の前までは、網膜電図へのメラニン反応というメラニンが持つ光加水分解及び水合成の特性は、化学史上の関心を持たれるだけにすぎなかった。１９６０年代初めに、強度な非生理学的光刺激を網膜色素上皮に与えると、全体にわたり電位に変化が現れることが発見された。メラニンのこの反応は、メラニンによる光吸収の物理化学的な反応を反映しており、これはオプシン分子により生成される網膜電図の受容体の早期電位に何がしか類似している。
【００１２】
文献によると、研究者たちは未だにメラニン反応の臨床応用を見出せないでいる。そして我々は、それはその現象のプロセスが解明されていなかったことによると加える。現在、我々は分子を取り囲む部分が光子エネルギーを取り込み、それにより水分子を水素及び酸素に分割し、すなわち酸化し、酸素から水素を分離することを理解している。したがって、優れたエネルギーの運搬物質である水素は、毎秒起きているかつ生命をつくりあげている、たくさんあるうちの一つの又は他の反応にエネルギーを与えるために真核細胞によってさらに処理されるよう、おそらくＦＡＤ及びＮＡＤによって捕えられる。ここで驚くべきことはメラニンの構造（１次、２次、３次ならびに４次）が逆反応、つまり水素と酸素の結合、言い換えれば酸素の還元をも可能とすることで、これによって水及び電気が生成される。メラニンの光吸収は、最終的に電気をもたらすイオン化の現象を開始する。なぜならば、水分子の分割だけでは充分ではなく、反応の可逆性、すなわち水素及び酸素の原子の再結合、が生じることが必要である。
【発明の開示】
【００１３】
好ましい実施形態の詳細な説明
本発明は、実質的に、常温において、自然光若しくは人工光を唯一のエネルギー源とし、水分子を分割し水素及び酸素の原子を得ること、共に高エネルギーの電子も得ること、又は、水及び電気を得るために水素及び酸素原子を結合させることからなる。主要なあるいは中心電解メラニンとして用いるのは、メラニン前駆体、誘導体、及び次のような類似物質であり、すなわち、ポリヒドロキシインドール、ユーメラニン、フェオメラニン、アロメラニン、ニューロメラニン、フミン酸、フラーレン、グラファイト、ポリインドールキノン、アセチレンブラック、ピロールブラック、インドールブラック、ベンゼンブラック、チオフェンブラック、アニリンブラック、ポリキノン水和物、セピオメラニン、ドーパブラック、ドーパミンブラック、アドレナリンブラック、カテコールブラック、直鎖状、脂肪族若しくは芳香族４−アミノカテコールブラック、又は、次のような前駆体であり、すなわちフェノール、アミノフェノール若しくはジフェノール、インドール・ポリフェノール、サイクルドーパＤＨＩ  Ｙ  ＤＨＩＣＡ１、キノン、セミキノン若しくはハイドロキノン、Ｌ−チロシン、Ｌ−ドーパミン、モルフォリン、オルトベンゾキノン、ジモルフォリン、ポルフィリンブラック、プテリンブラック、オモクロームブラック、無窒素の前駆体、上記の物質でいかなる大きさのもの若しくは粒子（１Å〜３又は４ｃｍ）である。前述の全ての化合物で、電気活性であり、懸濁液中、溶液中、ゲル状、周期１ＭＨｚの超音波を吸収し、天然又は人工、植物、動物若しくは鉱物由来であるもの、また、純粋物、又は、有機若しくは無機化合物、イオン、金属（ガドリニウム、鉄、ニッケル、銅、エルビウム、ユーロピウム、プラセオジム、ジスプロシウム、ホルミウム、クロムあるいはマンガン、セレン化鉛など）との混合物。ガドリニウムは非常に有効な金属である。この金属はメラニン内にイオン又は粒子として取り込まれ、薬品又は薬剤と同様に、主な波長が２００から９００ｎｍの光（天然又は人工、コヒーレント又はインコヒーレント、単色又は多色）を用いた光電気化学的設計に、エネルギーを与える。もっともその他の波長でも、例えば運動エネルギーのような他のエネルギー形態でも、残りの条件（ｐＨ、温度、圧力など）に応じて、様々なレベルで有効である。この種の設計では、微弱な磁場からかなり強度の磁場までを加えることができる。
【００１４】
この設計での現象は、内部又は外部からの物理的又は化学的刺激に対して、より強い程度からより弱い程度まで起こり得る。
【００１５】
我々は、水分子の電解物質としてメラニンの使用を（前述のように）、特に波長２００〜９００ｎｍの光を主要なあるいは唯一のエネルギー源として用いる、光電気化学的方法として知られる水素の製造システムにおいて、提唱する。前述したようにこれらのシステムは、水から直接水素原子を作るために、半導体材料及び水の電解物質をモノリシック設計の中で一体化させ、光を主なあるいは唯一のエネルギー源として利用する。しかし、音波、１ＭＨｚ周期の超音波、機械攪拌、磁場などを利用することもできる。
【００１６】
単純な概念であるが、課題はプロセス全体に耐えることのできる材料を見つけることであった。少なくとも次の二つの基本基準を満たさなければならなかった。すなわち、一つは光吸収システム又は化合物が電解反応を完全に開始し、継続し、支えるに充分なエネルギーを発生させなければならなかったこと、及び、低コストで水性環境中で安定であり、耐久性がなければならなかったことである。
【００１７】
メラニン、メラニン前駆体、誘導体メラニン誘導体、メラニン変異体及び類似物質は、上記の条件を合理的且つ効果的に満たすことができ、光電気化学的設計が抱える中心問題の解決に向けて大きく前進することになる。
【００１８】
適切な装置中でそれを保持する容器の形状は様々に変更でき、立方体、円筒形、球形、多面体、長方体などである。主要な条件の一つは、光が通過できるよう透明であることで、使用しようとする照明の波長によっては、例えば容器の壁が紫外線を吸収することがないよう、その壁は石英で製作されることもある。又は、ある特定の波長を選ぶ場合には、容器が作られる材料は、関心のある電気機械的スペクトルからその波長の最大の透過度又は吸収度となるような色のものとできる。その壁は、ガラス、又は電磁波放射の透過特性が光電気化学的設計の最終目的にかなうどのようなポリマーで作製されていてもよい。この設計にエネルギーを与えるために用いられる波長は２００ｎｍ〜９００ｎｍを包含する。
【００１９】
セルの内容は、主要な材料、不可欠な溶質であり、主に水に溶解している、メラニン前駆体、メラニン誘導体、メラニンの変異体又は類似物質である。なぜなら、設計の基礎は、２００〜９００ｎｍを含む波長の光子を捕えるメラニンの優れた能力にあるからであり、これはおそらくその分子の周辺部分で行なわれ、その後低エネルギーの電子から高エネルギーの電子が発生する。これらの高エネルギー電子は、現在のところ明らかではない種類の最初の電子受容体から輸送され、化合物のフリーラジカルの中心に向かい、そこで例えば鉄、銅、ガドリニウム、ユーロピウムなどの金属の元素によっておそらく捕えられる。明らかでないのは、ｐＨに依存するイオンの相互作用を含んでおり結合が複雑であるためである。この電子の移動がエネルギーを放出し、それが陽子勾配を作り出すために使われる。
【００２０】
メラニン分子と水との組み合わせは、少なくとも二通りの関連する活動を利用して光エネルギーを捕捉する、光化学系と呼ばれるものを形成する。その活動とは、水から電子を除去することと陽子勾配を発生させることである。
【００２１】
メラニン成分はお互いに非常に近距離で接触しており、エネルギーの速やかな移動を容易にしている。光照射から３ピコ秒で、メラニンの反応中心が応答し、光励起された電子を電子の一次受容体に移動させる。この電子の移動は正の電荷を持つ供与体並びに負の電荷を持つ受容体を発生させる。反対の電荷を持つ２種を発生させることの重要性は、これら２種類の電荷の還元能力を考えたときに明白である。なぜなら、一方は電子が不足した状態で、電子を受容でき、酸化剤になる。反対に、もう一方の化合物は簡単に放すことのできる余分な電子を持っており、還元剤になる。光により還元剤と酸化剤を生成するというこのプロセスは十億分の１秒以下で行なわれ、これが光分解に不可欠な第一段階である。
【００２２】
これらの化合物は正反対の電荷を持つため、明らかに相互に引きつけられる。電荷の分離は（おそらく）互いが分子の反対側に移動することによって安定化される。すなわち、まず負の化合物がその電子をあるキノン（Ｑ１）に与え、おそらくその後電子が第２の種類のキノン（Ｑ２）へ伝達され、これはメラニン分子の反応中心と強く結合することのできるキノンの分子の半還元状態を作る。伝達のたびに、電子はメラニン分子の反応中心へ接近していく。正電荷を持つメラニンの一部は還元され、したがって別の光子を吸収するための反応中心を準備する。２個目の光子の吸収は、２個目の電子をその経路（負電荷を持つメラニンが第１、第２のキノン分子、Ｑ１及びＱ２、に向かう）に沿って送り出す。２番目の分子は電子２個を吸収するので、２個の陽子と結合することになる。この反応で使用される陽子は、同じメラニン分子、あるいはそれを取り巻く水に由来すると考えられ、光化学系の水素イオン濃度の減少を招き、さらにそれは陽子勾配の形成に寄与する。理論上、還元されたキノン分子はメラニンの反応中心から解離して、新しいキノン分子の反応と入れ替わることになっている。これらの反応は常温で起こるが、例えば温度を変化させるなど、そのほかの可変条件（ｐＨ、磁場、濃度、ガス、部圧、電極、セルの形状など）を制御すること及びプロセスの主要な目的により、ある又は他の経路での、所望の反応を行える。
【００２３】
水素及び酸素の原子の非常に安定した結合性により、水分子の水素及び酸素原子への分離は強力な吸エルゴン反応となっている。実験室での水分子の（水素原子及び酸素原子への）分離には、高電流を使用するか、もしくは温度を約２０００℃まで上昇させる必要がある。上記（水の電解）は、メラニンを使用すれば常温で得ることができ、それには光から得られるエネルギーのみを使用すればよく、その波長は主に２００ｎｍから９００ｎｍを含み、自然の又は人工、コヒーレント又はインコヒーレント、集束又は発散、単色又は多色である。酸化状態のキノンの酸化還元電位は約＋１．１Ｖであり、水分子から強固に結合している低エネルギー電子（酸化還元電位＋０．８２）を引きつけるのに充分な強さで、分子を水素と酸素原子に分離すると推測される。光色素による水分子の分離は光分解と呼ばれる。光分解中に酸素分子が形成されるには、以下の反応に従って、２個の水分子から同時に４個の電子の消失が必要とされている。
【００２４】
【数１】
0004909346.tif 000002
【００２５】
反応中心は、同時にひとつの正電荷、又はそれと等価な酸化剤しか発生させることができない。仮定であるが、この問題は、メラニン分子の反応中心に窒素原子４個を存在させること、各原子が電子１個を移動することで解決される。この窒素の集合体は、電子４個を（１個ずつ）最も近いキノン＋の分子へ移動させる際に、おそらく４個の正電荷を加えると思われる。
【００２６】
反応中心の窒素からキノン＋への電子の移動は、正の電荷を持つチロシン残基を伝達路として行なわれる。各電子がキノン＋へ伝達され、キノンが再生成され、光化学系が別の光子を吸収した後に、色素が（再びキノン＋へ）再酸化する。このように、反応中心の窒素原子による４個の正電荷（等価な酸化剤）の蓄積は、メラニン光化学系の光子４個の連続吸収によって変化する。いったん４個の電荷が蓄積されたならば、酸素を放出するキノン錯体は、Ｏ２分子を生成しながら２Ｈ２Ｏの４ｅ−の除去を触媒することができ、反応中心で全部の還元量の窒素を再生させる。
【００２７】
光分解で生成された陽子は、陽子勾配に寄与する媒質の中で放出される。光化学系は、Ｏ２放出が起こる前に数回光照射されなければならず、続いて水素が測定される。このことは、個々の光反応の効果は、水素及び酸素が放出される前に蓄積しなくてはならないことを示す。
【００２８】
キノンは流動電子の運搬物質と考えられている。電子の移動はすべて発エルゴン反応であり、電子は、毎回電子との親和性を増す（酸化還元電位がより正になる）運搬物質に連続して伝達されるように、移動が生じるということを忘れてはならない。電子の移動運搬物質の存在の必要性は明白である。光分解によって生成された電子は、いくつかの無機物受容体へ受け渡されて行くことができ、したがってそれらは還元される。これらの電子の経路は、最終的な還元を（使用される混合物の組成に応じて）誘導することができ、硝酸塩分子（ＮＯ３−）をアンモニア分子（ＮＨ３）へ、硫酸塩を硫化水素イオン（ｓｕｌｆｉｈｉｄｒｉｌｏｓ、ＳＨ−）へ、無機廃棄物を生命体にとって必要な化合物に変換する。このように、太陽光のエネルギーは炭素原子の最も酸化した状態（ＣＯ２）を還元するためのみならず、窒素及び硫黄の最も酸化した状態も還元するために使用できる。
【００２９】
Ｏ２分子の生成は水分子２個から電子４個の除去を必要とし、水からの電子４個の除去には、電子１個につき１個、計４個の光子の吸収が必要となる。
【００３０】
セルの設計は、我々が特に関心を持つ反応の生成物の取得を最適化するために、重要なパラメータである。なぜなら、電子の付加、その由来、磁場の使用、初期段階では水とメラニンだけである光化学系へのいくつかの化合物（有機又は無機物、イオン、金属、薬剤あるいは薬品）の添加、加えて電解質の添加、加えて薬品の添加、並びに、温度調節、気体の部圧の制御、発生した電流の管理、磁場の適用、ｐＨレベル、セル製作に使用される材料、及び、内部間仕切りの配置及び形状、の故である。その他の変数、最終的な設計が、電子、陽子又は酸素、及び、メラニンが溶解している媒体の構造による最終的に得られた化合物を回収し得るような方法で、制御できるものは別にしてもである。したがって、メラニン、メラニンの前駆体、メラニンの誘導体、メラニンの変異体及び類似物質（その類似物質、その合成又は天然の前駆体、純粋物又は、有機化合物、無機化合物及び金属と結合したもの）は、目的に合わせて非常に柔軟な設計を可能にする。
【００３１】
光電気化学的設計の最適化はその目的に関連し、それらは例えば、陽子及び酸素の効率よい生産又は電気の発生であり、電子運搬物質の添加、メラニンのドーピング、あるいは光を集束させるためのポジティブマイクロレンズなどの他の手順を別にして、拡張した容器中で液体化合物の光照射の最大可能面積である。
【００３２】
容器の設計に制限はなく、片面（光照射される側、光の集束のため）にはマイクロレンズを備えた、球体、立方体、平行六面体、多面体、片側凹状、片側凸状、両凸状、両凹状の形状であってもよく、もう一方の面は、円筒、環状の円筒、中空の円筒、円錐（垂直）、切頂円錐、四角柱、斜角柱、ピラミッド状、垂直の斜め切頂ピラミッド状、球の一部分をさらに切断したもの、球を切断したもの、球を扇形に切断したもの、円筒状の穴のある球体、円錐状の穴のある球体、円環（円形断面の環）、傾斜切断面のある円柱、円筒を楔形に切り出したもの、樽状の四角柱、及びそれらの組み合わせでも良い。液体はどのような形にも適応できるため、要求されることは光を最大限透過させるために透明なことであり、使用するメラニンの種類によっては（例えばドーピングの有無、など）水溶性のメラニンに照射する特定の光の波長を選択するのが便利である。しかし、今までのところ、人工の水溶性メラニンの最大の長所の一つは、電磁スペクトルの大部分の波長を吸収することにある。しかし、２００〜９００ｎｍの波長に主要な吸収を示すように見受けられる。セル内部のガスの分圧制御は重要な変数であり、セルの形状とその使用用途により圧力は０．１ｍｍＨｇ〜３又は４気圧までに及ぶ。他に考慮すべき変数は、液体に溶解している異なる物質の濃度であり、決定的な濃度は主にメラニンの濃度で、０．１％〜１００％まで可能である。他の変更可能な条件としては、調合（用途による）中の異なる化合物間の比率がある。カリウムならば０．１〜１０％の濃度で、ナトリウムならば０．１〜１０％の濃度で、塩素ならば０．１〜１０％の濃度で、カルシウムならば０．１〜１０％の濃度で、鉄ならば０．１〜８％の濃度で、銅ならば０．１〜５％の濃度で、砒素ならば０．１〜８又は９％まで、金ならば０．１〜８又は９％まで、銀は金と同様の濃度で、ニッケルならば０．１〜８％まで、その他ガドリニウム、ユーロピウム、エルビウム等を加えることができる。
【００３３】
最終的な容積は、容器の大きさと収納する場所に応じて、１μＬ〜１０又は２０Ｌの範囲で可能である。温度は２〜４５℃まで変化してもよい。溶液の交換の頻度は１５分毎〜数ヶ月毎又は２年〜３年でよい。微小なセル内の間仕切りの作製については、セル内の形状は小さな球体（何ダースもが入れられる微小球）から３〜４個が容器に入る程度の大きさの球体までが使用できる。また微小なセル内部の形状については、片面（光照射される側、光の集束のため）には両凸のマイクロセルを備えた、立方体、平行六面体、多面体、片側凹状、片側凸状、両凸状、両凹状の形状であってもよく、もう一方の面は、円筒、環状の円筒、中空の円筒、円錐、切頂円錐、四角柱、斜角柱、ピラミッド状、斜めピラミッド状、級の一部をさらに切断したもの、球を切断したもの、球を扇形に切断したもの、円筒状の穴のある球、円錐状の穴のある球体、円環（円形断面の環）、傾斜切断面のある円柱、円筒を楔形に切り出したもの、樽状の四角柱、及びそれらの組み合わせでもよい。マイクロレンズの倍率は０．１〜１００ジオプトリーの範囲にし得る。間仕切り作製に使用される材料の還元特性（鉄、銀、銅、ニッケル、金、白金、ガリウム砒素、ケイ素、ガドリニウム、ユーロピウム、エルビウム、プラセオジム、ジスプロシウム、ホルミウム、クロム、マンガン、セレン化鉛及びこれらの合金など）。
【００３４】
陰極及び陽極を使用するかどうかについては、それらの材料（例えば、白金、鉄、銀、金、鋼鉄、アルミニウム、ニッケル、砒素、ガドリニウム、ユーロピウム、エルビウム、プラセオジム、ジスプロシウム、ホルミウム、クロム、マンガン、ガリウム）、電子又は水素を回収するために最適な特性による。ただし、金属あるいはホウ素が存在する場合には、水素は−１で機能することを忘れてはならない。別の変数としては、ｐＨ単位で２又は３〜８又は９まで変化させ得る溶液の初期のｐＨがあるが、もっとも利用されるのは７前後である。以上が光電解プロセスを制御するために、問題とする使用目的の要求に応じて取り扱うことのできる変数である。
【００３５】
いずれにしても、効果的な光電気化学的設計の要はメラニンであり、すなわち、水溶性の、メラニン、メラニン前駆体、メラニン誘導体、メラニン変異体及び類似物質である。これらは、メラニンの有効性を遅かれ早かれ損なう、酸素原子が部分的に還元された生成物（超酸化アニオン、ヒドロキシルラジカル、過酸化水素、キノン及びオルトキノン）に加えてできる生成物を生じる、マンガン、鉄、銅、鉛などの元素が存在する場合を除き、大きな変化を被ることなく光分解プロセスを触媒する。しかし、純粋メラニンを使用した場合には、仮に濃度を１０％にしたとすると、この化合物の寿命は経済有用性からに見ても充分長く（数年間）、メラニン合成は非常に効率的なプロセスである。経済的及び環境保護的な観点からも、純粋メラニンは完全に生物分解性であり、非常に有望である。したがって、水溶メラニンの定期的交換と共に、微小なセルが唯一必要とするのは定期的な蒸留水の補充であり、もしくは最終的には、光電気化学的設計に光を照射した結果発生するプロセスのいくつかを最適化し促進するために添加する物質の更新である。この反応の最終的な生成物が水分子、酸素原子又は分子、水素、高エネルギー電子及び電流であることの環境保護的なメリットは容易に理解できる。温室効果ＣＯ２分子の排出はほとんどない。電子の伝達はエネルギーを放出し、それは陽子勾配を作り出すために利用される。
【００３６】
電子輸送中の陽子の移動は他のイオンの移動によって相殺されるので、膜と適切な溶質の入った溶媒を用いて、メラニンによる光子捕捉により膜電位を生成することができる。
【００３７】
メラニンの電解特性（他多数の特性の中でも）により、網膜電図で観察される光により発生したピークを説明することができる。なぜならば、メラニンに光が当たると、細胞内ｐＨが低下し、側底細胞膜にあるｐＨに敏感な塩素チャンネルが活性化されるためである。光のピークとはＦＯＴ相（ｆａｓｔ  ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ  ｔｈｒｏｕｇｈ）に続く電位の上昇であり、直流の網膜電図におけるもっとも遅く長寿命の成分である（Ｋｒｉｓ  １９５８，  Ｋｏｌｄｅｒ  １９５９，  Ｋｉｋａｄａｗａ  １９６８，  Ｓｔｅｉｎｂｅｒｇ  １９８２）。
【００３８】
メラニン、メラニン前駆体、メラニン誘導体、変異体又は類似物質は光（光子）から得られたエネルギーを吸収しながら、水分子をＯ、Ｏ２及びＨ２へと酸化し、酸素原子を水素原子とＨ２Ｏへと還元し、エネルギーを放出する（電気、ただし電気を「貯蔵」することもできる。すなわち、蓄電池あるいはバッテリーとしても機能できる、つまりエネルギーを発生するだけでなく、ある程度の制限のもとでしばらくの間貯蔵できるということである）。このことから、セルの設計は何が要求されるかによって、それに適したものにすることができる。  
【００３９】
光を利用してＨ２及びＯ２原子が生成されるが、それら元素の発生は、金属のメラニンドーピング（メラニン、その前駆体、変異体、誘導体又は人工若しくは天然の類似物質）、又は有機及び無機分子の添加、電解液の濃度の変更、薬剤の添加の方法で、又は、水とメラニン（メラニン、その前駆体、変異体、誘導体又は人工若しくは天然の類似物質）を含む液体に当たる光の特徴を、例えば集光のためのマイクロレンズに基づく設計や、一定の波長の選択、コヒーレント若しくは拡散、単色、多色、連続、不連続、自然、人工の光などの使用により、制御する方法で、増加させることができる。
【００４０】
光電気化学反応は二方向に向かって発生する。すなわち、これは水の分子を分離もするが、結合もするということである。したがって、その設計から電流を回収でき、また異なる物質（薬剤、金属、電解質、有機及び無機分子など）のメラニンへのドーピング、あるいはその他の中でもレンズを利用しての集光により、反応を最適化することができる。
【００４１】
液体を収納するケースは、家屋の屋根の中や、乗用車の屋根、工場建物、工場の工程内、それらの中でセル同士をつなげるなど、様々な必要に応じて異なる形状にすることができる。しかし、設計の中心成分はあくまでメラニン（その前駆体、誘導体、変異体、類似物質、水溶性のもの）であり、光の存在下で水分子の光分解を誘導し実行する。
【００４２】
メラニン、メラニン前駆体、メラニン誘導体、メラニン変異体及び類似物質は水の電子を除去し、陽子勾配を発生させる。
【００４３】
光による反応は、ＣＯ２をＣＨ２Ｏへ、硝酸塩をアンモニアへ、硫酸塩を硫化水素イオン（ｓｕｌｆｉｈｉｄｒｉｌｏｓ）へ還元させるためのエネルギーをも供給することができる。
【００４４】
既に文献に記載されており、これらのプロセスを誘導し実行することが確認されている化合物に葉緑素があるが、可視スペクトルの末端領域の光を主に吸収するため、照射されているエネルギーの８０％を無駄にしていると考えられる。これに対して、我々がメラニンの利用を提案したのは、メラニンは実質的には強弱の紫外電磁波、可視スペクトル全体、及び遠近両方の赤外の波長も吸収するからである（Ｓｐｉｃｅｒ＆Ｇｏｌｄｂｅｒｇ  １９９６）。さらに運動エネルギーあるいは他の波長の電磁スペクトルのような違う種類のエネルギーも吸収できるとしても驚くには当たらない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
実施例
我々は小規模な実験を行なった。構造活性相関に関するメラニンの興味深い特性を推測したところで、水溶性人工メラニンを水に入れ、１％溶液を準備し、常温下、２０ｍＬの容量の透明な高密度ポリエチレン製のフラスコ５本に入れた。集光していない自然の可視光源（太陽）に３０分当てて、その前後のｐＨを測定した。ｐＨを測定したところ、平均してｐＨ単位０．２の減少を認めた（７．３から７．１）。メラニン自体は本来緩衝性を持つので、変化はもっと大きくなければならないが、メラニン固有の緩衝性によって隠され、したがってｐＨ変化の中のごく一部のみが検出され、ｐＨ変化の大きさは生物学的システムに関係しており、なぜならばそれがもっと大きい場合はおそらく細胞をひどく破壊するか損傷するであろうが、この規模の変化量はこの並外れた化合物が関与する生物学的変化を誘発するに充分であるということを我々は重要視している。ｐＨ単位０．２の減少という生物学的重要性を判断するために、我々は、血液中であれば、この減少によりカルシウムの濃度が１０％より大きく増加するということを引用したい。
【００４６】
さらに、血液中のｐＨ全体では７．３８〜７．４４、動脈血のｐＨは７．３６〜７．４１、静脈血のｐＨは７．３７〜７．４５の範囲で変化する。すなわち、その変動は非常に狭い幅であり、したがって、ｐＨ単位０．２の差異というのは生物学的システムの中では非常に大きなものである。
【００４７】
初期の閉じられた設計において、電流発生の機能による水素の放出を見積もったところ、平均５０ｍＶ、各ピーク間で１１０ｍＶという値を得た。この値は約１〜２ｐＨ単位に相当し、各ｐＨ単位ごとに水素１×１０−７ｍｏｌ／Ｌ分の水素生成に等しい。水素の分子量は１ｍｏｌが水素１グラムに相当するためである。
【００４８】
一方、メラノサイトは生物組織内のカルシウムへの親和力が最も大きい細胞であり、カルシウムに対して骨の１０００倍の親和力を持つ。骨の場合は保有する量が多いが、無機物の形態でしか貯蔵することができない。
【００４９】
なお、前述の０．２から１．０へのｐＨ単位の変化は、フラスコを暗所に置いたときに逆変化が起きることと共に、我々の理論系で予測されていた。つまり、実験の実施の際にはどのような結果が得られるかを知っていた。言い換えれば、多数の実験を重ねたわけではなく、２度３度行なったのみで予測していた結果が得られた。実験で使用されたメラニン溶液は調製されて少なくとも３年はたっているものであり、ドーピングは施されていない。理論系で指摘されているように、メラニンは非常に長寿命の化合物であり、水中では安定しており、防腐剤や冷蔵は不必要で、調製後の経過時間にもかかわらず微生物に汚染されることがなく、これらの溶液は涼しく乾燥した場所に保管されさえすればよい。そのため、我々は反応自体は起こるであろうとほぼ確信していた。ただ、メラニンの化学式の全容が分からないので、メラニンの緩衝能力が分からず、それを正確に見積もることもできないため、反応の規模を予測することができなかった。
【００５０】
この実験は、メラニンは防腐剤を必要とせず、時間（合成後３年）が経過してもその電解特性が失われることはないということも示した。現在、我々は、これらの実験から生ずる多くの質問のいくつかに回答するために手順を改良しているところである。しかし、このメラニンの電解特性を工業、医学、エネルギー及び研究に応用できる並外れた可能性の故に、エネルギーを生成する光電気化学プロセスにおけるメラニンの使用を直ちに保護することを決定するに至った。
【００５１】
我々の特許が裏付けされている他の例としては、メラノサイトを取り巻く脈絡膜血管を通って眼（動脈）に入る血液がある。酸素飽和率は９７％を示し、その出口では、渦中で（ｅｎ  ｌａｓ  ｖｏｒｔｉｃｏｓａｓ）、酸素飽和率９４％及びＣＯ２飽和率４０％である。酸素飽和率の３％の単独の減少は大変興味をそそるものである。この異例の特徴は、目の血流の速い速度では説明ができない。その速度自体は、１０〜２０ｍＬ／ｍｉｎ／ｇの間で規則的に変動し、０．５ｍＬ／ｍｉｎ／ｇである脳の中の一つの１０〜２０倍であるので、異例である。加えて、もし流速で説明がつくとすれば、網膜血管の酸素飽和率は同程度（動脈では９７％、網膜の中心静脈では９４％及び４０％のＣＯ２）になると思われるが、そうではなく、なぜならば、網膜血管ではその数字は残りの組織と同様で、入口で酸素９７％、出て行くときは６０％（静脈内）、及びＣＯ２４０％であるからである。
【００５２】
この興味深い相違は、現時点では文献で説明されておらず、仮にメラニンの電解特性を考慮に入れると、解決される。このことはどの文献にも言及されておらず、我々が最初に推論しこの事実を報告するものである。
【００５３】
我々の特許を裏付ける別の生物学的現象は、網膜の色素上皮細胞が光照射されたとき、通常細胞内ｐＨ値の減少が生じることである。実際の文献はこの変化を説明していないが、この影響の原因となり得る不明な物質が存在すると提示しているだけである。しかし、我々が使用をクレームしているメラニンの電解特性、すなわち、光の下でメラニンが水分子を分解し水素原子及び酸素原子を生成することを考えるならば、このことは先述の両方の現象、脈絡膜の静脈（通常脈絡膜はかなり着色されている）血の不可思議な９４％酸素飽和率及び光照射されたときの色素上皮細胞の細胞質ｐＨの減少、を説明すると考えられる。
【００５４】
何らかの理由により、眼には皮膚より４０％多いたくさんの色素がある。我々の特許を裏付ける別の例は、網膜電位図に可視光によって生じるピーク、又は網膜、色素上皮及び脈絡膜の電気的活性記録である。メラニンが水素原子を生成するために光照射されると、細胞内ｐＨが減少し、それは、ｐＨ膜に敏感な側底細胞チャネルの塩素を活性化する。光のピークは、ＦＯＴ相（ｆａｓｔ  ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ  ｔｈｒｏｕｇｈ）に続く電位の増加であり、直流からの網膜電位図で最も遅く長い成分を形成する。その現象の分子基質は現在まで説明されていないが、メラニンの電解特性は十分によく説明している。