• Home
  • Química
  • Astronomía
  • Energía
  • Naturaleza
  • Biología
  • Física
  • Electrónica
  • Las partículas biónicas se autoensamblan para capturar la luz

    Montaje de nanopartículas de telururo de cadmio (CdTe NPs) y citocromo C (CytC). Crédito: Comunicaciones de la naturaleza

    Inspirado en cyborgs ficticios como Terminator, un equipo de investigadores de la Universidad de Michigan y la Universidad de Pittsburgh ha creado las primeras partículas biónicas a partir de semiconductores y proteínas.

    Estas partículas recrean el corazón del proceso que permite a las plantas convertir la luz solar en combustible.

    "Los esfuerzos humanos para transformar la energía de la luz solar en biocombustibles utilizando materiales artificiales u organismos completos tienen una baja eficiencia, "dijo Nicholas Kotov, la profesora de ingeniería Florence B. Cejka en la Universidad de Michigan, quien dirigió el experimento.

    Un enfoque biónico podría cambiar eso.

    Las partículas biónicas combinan la fuerza de los materiales inorgánicos, que puede convertir fácilmente la energía de la luz en energía de electrones, con moléculas biológicas cuyas funciones químicas han sido altamente desarrolladas a través de la evolución.

    El equipo diseñó primero las partículas para combinar telururo de cadmio, un semiconductor comúnmente utilizado en células solares, con citocromo C, una proteína utilizada por las plantas para transportar electrones en la fotosíntesis. Con esta combinación, el semiconductor puede convertir un rayo del sol en un electrón, y el citocromo C puede alejar ese electrón para usarlo en reacciones químicas que podrían limpiar la contaminación o producir combustible, por ejemplo.

    Para impulsar reacciones, las moléculas del citocromo C y las nanopartículas de telururo de cadmio deben intercambiar electrones. Este proceso sería más eficiente si los componentes estuvieran conectados, por lo que el equipo diseñó un proceso que les permitiría autoensamblarse en superpartículas.

    Sharon Glotzer de U-M, el profesor Stuart W. Churchill de ingeniería química, quien dirigió las simulaciones, compara el autoensamblaje con la forma en que se forman las superficies de las células vivas, utilizando fuerzas atractivas que son fuertes a escalas pequeñas pero que se debilitan a medida que la estructura crece. El grupo de Kotov confirmó que las partículas semiconductoras y las proteínas se ensamblan naturalmente en partículas más grandes, aproximadamente 100 nanómetros (0,0001 milímetros) de diámetro.

    El equipo se basó en esta fórmula para su reacción de prueba. Convirtieron el nitrato contaminante en nitrito y oxígeno, demostrando que las partículas biónicas podrían aprovechar la luz solar para impulsar reacciones químicas. Para este proceso, el semiconductor y el citocromo C necesitaban la ayuda de otras enzimas, que el equipo incorporó a las superpartículas.

    "Fusionamos lo biológico y lo inorgánico de una manera que aprovecha los atributos de ambos para obtener algo mejor que cualquiera de los dos, "Dijo Glotzer.

    Alimentado por electrones del citocromo C, la enzima podría eliminar el oxígeno de las moléculas de nitrato.

    Como las estructuras que realizan la fotosíntesis en las plantas, las partículas biónicas recibieron una paliza por manejar la energía. La naturaleza renueva constantemente estas partes de trabajo en las plantas, y mediante el autoensamblaje, las partículas también pueden renovarse por sí mismas.

    Kotov dijo que potencialmente podrían trabajar en un ciclo que permitiera que las partículas se volvieran a ensamblar después de desgastarse con el uso. Explicó que el autoensamblaje se produce porque los dos tipos de bloques de construcción son de tamaño y carga similares.

    "Si las nanopartículas inorgánicas son demasiado pequeñas, no se ensamblarán. Demasiado grandes, y desenredan las proteínas, ", dijo." Y, si las nanopartículas y las proteínas tienen cargas opuestas, forman grandes grumos y se caen de la solución ".

    Glotzer dijo que ahora que entienden cómo funciona el fenómeno de ensamblaje, "Podemos encontrar principios de diseño tanto para optimizar las condiciones como para extender nuestros hallazgos a otros tipos de sistemas de nanopartículas y proteínas".

    Uno de los objetivos es la conversión de dióxido de carbono y agua en gas natural, lo que permitiría que gran parte de la infraestructura energética actual continúe funcionando sin emisiones netas de carbono. Pero el equipo considera más que solo aplicaciones de fotosíntesis artificial.

    "Estos principios de diseño se pueden utilizar para orientar los diseños futuros de otros sistemas biónicos, a partir de los bloques de construcción primarios de organismos biológicos y máquinas inorgánicas, ", Dijo Kotov." Es muy posible que Terminator del futuro deba construirse a partir de tales bloques de construcción ".


    © Ciencia https://es.scienceaq.com