Las plantas son buenas para hacer lo que los científicos e ingenieros han estado luchando por hacer durante décadas:convertir la luz solar en energía almacenada, y hacerlo de forma fiable día tras día, año tras año. Ahora, algunos científicos del MIT han logrado imitar un aspecto clave de ese proceso.

Uno de los problemas con la recolección de la luz solar es que los rayos del sol pueden ser muy destructivos para muchos materiales. La luz solar conduce a una degradación gradual de muchos sistemas desarrollados para aprovecharla. Pero las plantas han adoptado una estrategia interesante para abordar este problema:constantemente descomponen sus moléculas captadoras de luz y las vuelven a ensamblar desde cero. por lo que las estructuras básicas que capturan la energía del sol son, en efecto, siempre a estrenar.

Ese proceso ahora ha sido imitado por Michael Strano, el Profesor Asociado Charles e Hilda Roddey de Ingeniería Química, y su equipo de estudiantes graduados e investigadores. Han creado un nuevo conjunto de moléculas autoensambladas que pueden convertir la luz solar en electricidad; las moléculas se pueden descomponer repetidamente y luego volver a ensamblar rápidamente, simplemente agregando o quitando una solución adicional. Su artículo sobre el trabajo fue publicado el 5 de septiembre en Química de la naturaleza .

Strano dice que la idea se le ocurrió por primera vez cuando estaba leyendo sobre biología vegetal. “Me impresionó mucho cómo las células vegetales tienen este mecanismo de reparación extremadamente eficiente, " él dice. A pleno sol de verano "Una hoja de un árbol recicla sus proteínas cada 45 minutos, aunque se pueda pensar en ella como una fotocélula estática ".

Uno de los objetivos de la investigación a largo plazo de Strano ha sido encontrar formas de imitar los principios que se encuentran en la naturaleza utilizando nanocomponentes. En el caso de las moléculas utilizadas para la fotosíntesis en las plantas, la forma reactiva de oxígeno producida por la luz solar hace que las proteínas fallen de una manera muy precisa. Como lo describe Strano, el oxígeno "desata una correa que mantiene unida a la proteína, ”Pero las mismas proteínas se vuelven a ensamblar rápidamente para reiniciar el proceso.

Toda esta acción tiene lugar dentro de pequeñas cápsulas llamadas cloroplastos que residen dentro de cada célula de la planta y que es donde ocurre la fotosíntesis. El cloroplasto es "una máquina asombrosa, ”Dice Strano. “Son motores notables que consumen dióxido de carbono y utilizan la luz para producir glucosa, ”Una sustancia química que proporciona energía para el metabolismo.

Para imitar ese proceso, Strano y su equipo, apoyado por subvenciones de la Iniciativa de Energía del MIT, el Eni Solar Frontiers Center en MIT y el Departamento de Energía, produjo moléculas sintéticas llamadas fosfolípidos que forman discos; estos discos proporcionan soporte estructural para otras moléculas que realmente responden a la luz, en estructuras llamadas centros de reacción, que liberan electrones cuando son golpeados por partículas de luz. Los discos llevando los centros de reacción, están en una solución en la que se adhieren espontáneamente a los nanotubos de carbono, tubos huecos de átomos de carbono con forma de alambre que tienen unas mil millonésimas de metro de espesor, pero más fuertes que el acero y capaces de conducir la electricidad mil veces mejor que el cobre. Los nanotubos mantienen los discos de fosfolípidos en una alineación uniforme para que todos los centros de reacción puedan exponerse a la luz solar a la vez. y también actúan como cables para recolectar y canalizar el flujo de electrones liberados por las moléculas reactivas.

El sistema que produjo el equipo de Strano se compone de siete compuestos diferentes, incluidos los nanotubos de carbono, los fosfolípidos, y las proteínas que componen los centros de reacción, que en las condiciones adecuadas se ensamblan espontáneamente en una estructura captadora de luz que produce una corriente eléctrica. Strano dice que cree que esto establece un récord para la complejidad de un sistema de autoensamblaje. Cuando se agrega a la mezcla un surfactante, similar en principio a los productos químicos que BP ha rociado en el Golfo de México para descomponer el petróleo, los siete componentes se separan y forman una solución espesa. Luego, cuando los investigadores eliminaron el surfactante empujando la solución a través de una membrana, los compuestos se ensamblaron espontáneamente una vez más en un perfectamente formado, fotocélula rejuvenecida.

"Básicamente, estamos imitando trucos que la naturaleza ha descubierto durante millones de años", en particular, "reversibilidad, la capacidad de separarse y volverse a montar, ”Dice Strano. El equipo, que incluía al investigador postdoctoral Moon-Ho Ham y al estudiante de posgrado Ardemis Boghossian, ideó el sistema basado en un análisis teórico, pero luego decidió construir un prototipo de celda para probarlo. Hicieron funcionar la celda a través de ciclos repetidos de montaje y desmontaje durante un período de 14 horas, sin pérdida de eficiencia.

Strano dice que al diseñar nuevos sistemas para generar electricidad a partir de la luz, los investigadores no suelen estudiar cómo cambian los sistemas con el tiempo. Para células fotovoltaicas convencionales basadas en silicio, hay poca degradación, pero con muchos sistemas nuevos que se están desarrollando, ya sea a menor costo, mayor eficiencia, flexibilidad u otras características mejoradas:la degradación puede ser muy significativa. "A menudo la gente ve, más de 60 horas, la eficiencia cae al 10 por ciento de lo que vio inicialmente, " él dice.

Las reacciones individuales de estas nuevas estructuras moleculares en la conversión de la luz solar tienen una eficiencia de aproximadamente un 40 por ciento, o aproximadamente el doble de la eficiencia de las mejores células solares de la actualidad. Teóricamente la eficiencia de las estructuras podría ser cercana al 100 por ciento, él dice. Pero en el trabajo inicial, la concentración de las estructuras en la solución era baja, por lo que la eficiencia general del dispositivo, la cantidad de electricidad producida para un área de superficie determinada, fue muy baja. Ahora están trabajando para encontrar formas de aumentar considerablemente la concentración.

Philip Collins '90, profesor asociado de física experimental y de materia condensada en la Universidad de California, Irvine, que no estuvo involucrado en este trabajo, dice, “Una de las diferencias que quedan entre los dispositivos artificiales y los sistemas biológicos es la capacidad de regenerarse y autorrepararse. Cerrar esta brecha es una promesa de la nanotecnología, una promesa que se ha promocionado durante muchos años. El trabajo de Strano es el primer signo de progreso en esta área, y sugiere que la 'nanotecnología' finalmente se está preparando para avanzar más allá de los simples nanomateriales y compuestos hacia este nuevo ámbito ".