El consumo medio mundial de energía de los combustibles para el transporte es actualmente de varios teravatios (1 teravatio =10 ¹² Joule) por segundo. Una brecha científica importante para el desarrollo de una tecnología de combustibles solares que podría reemplazar los recursos fósiles con renovables es la escalabilidad a un nivel de teravatios sin precedentes. De hecho, la única tecnología existente para fabricar compuestos químicos en la escala de teravatios es la fotosíntesis natural.

Las dos reacciones necesarias para completar el ciclo fotosintético (reducción de CO2 y oxidación de H2O) tienen lugar en ambientes incompatibles, por lo que tienen que estar físicamente separados por una barrera. Pero, para que el proceso sea eficiente, la distancia entre los dos debe ser lo más corta posible, en la escala nanométrica. Los sistemas fotosintéticos naturales logran esto muy bien, pero presenta un desafío de ingeniería para fabricar fotosistemas artificiales basados ​​en este diseño, explicó Heinz Frei, científico senior en la División de Biofísica Molecular y Bioimagen Integrada (MBIB) de Biociencias.

Frei colaboró ​​con Eran Edri, un ex becario postdoctoral en MBIB ahora en la Universidad Ben-Gurion, y Shaul Aloni en Molecular Foundry, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Desarrollaron un método de fabricación para hacer un fotosistema artificial del tamaño de una pulgada cuadrada, en forma de una matriz inorgánica de nanotubos núcleo-capa, que implementa este principio de diseño por primera vez. "Este logro es posible gracias a la sinergia única de biofísica, químico, y experiencia en nanomateriales de MBIB, contribuyendo así a los avances científicos de la División para resolver un importante desafío nacional en materia de energía, "Dijo Frei.

El método, descrito en un artículo publicado a principios de este año en ACS Nano , emplea una matriz de varillas de silicio como plantilla en combinación con técnicas de deposición de capa atómica y criograbado para proporcionar control de las escalas de longitud características de los componentes en ocho órdenes de magnitud. Mientras que la matriz se fabrica en la macroescala, el diámetro de los tubos individuales es de algunos cientos de nanómetros y el espesor de la pared de algunas decenas de nanómetros.

Las superficies internas de los nanotubos de óxido de cobalto proporcionan el sitio catalítico para la oxidación del H2O, que están separados del absorbente de luz y los sitios de reducción de CO2 en el exterior por una capa de sílice de fase ultrafina densa. Este último actúa como conductor de protones, Membrana impermeable al O2. Algo sorprendente fue el hallazgo de que, a pesar de las condiciones de síntesis aparentemente incompatibles, De hecho, fue posible ensamblar una construcción a nanoescala basada en óxido sólido con cables moleculares orgánicos "blandos" incrustados para la conducción de electrones y terminar con todos los componentes intactos, señaló Frei.

La matriz de nanotubos proporciona una base para el desarrollo de sistemas de combustibles solares diseñados y escalables adecuados para su despliegue en abundantes, tierra no cultivable.