Una hoja artificial que pueda recolectar energía del sol más rápido que una natural podría conducir a una nueva generación de energía renovable y tecnologías médicas.

Durante cientos de millones de años, La evolución ha refinado un proceso que permite a las plantas utilizar la energía del sol para convertir el dióxido de carbono y el agua en el combustible azucarado que necesitan para crecer.

La elegante serie de reacciones bioquímicas involucradas en este proceso son algunos de los pilares fundamentales de la vida en este planeta.

Pero ahora los científicos han vencido a la naturaleza en su propio juego al crear una hoja semi-artificial que incorpora algunos de los componentes perfeccionados por la evolución para producir un dispositivo que es hasta seis veces más eficiente.

"Cuando los componentes naturales de la fotosíntesis se incorporan en dispositivos artificiales, Estos dispositivos superan la capacidad de transferencia de electrones que se encuentra en el entorno natural, "dijo el Dr. Nicolas Plumeré, químico de la Ruhr-University Bochum en Alemania.

Él y sus colegas como parte del proyecto PHOTOTECH financiado con fondos europeos, utilizó una proteína que se encuentra en las hojas reales y que se encarga de transportar electrones durante la fotosíntesis para crear su hoja semi-artificial.

"Bajo la luz, una proteína que se encuentra en las hojas naturales o en las algas puede producir alrededor de 50 electrones de alta energía por segundo, ", explicó el Dr. Plumeré." Cuando esta misma proteína se incorpora a las hojas artificiales, se producen hasta 300 electrones de alta energía por segundo ".

El Dr. Plumeré espera que este enfoque eventualmente pueda ofrecer nuevos tecnologías de células solares sencillas y económicas, también conocidas como células fotovoltaicas, basadas en la fotosíntesis, aunque advierte que la tecnología aún está a años de encontrar aplicaciones comerciales.

"La energía fotovoltaica verde a gran escala podría simplemente pintarse en una pared para recolectar energía solar directamente en su punto de uso, ", dijo. La tecnología también podría usarse para alimentar pequeños dispositivos médicos, como sensores implantados en lentes de contacto para monitorear biomarcadores en lágrimas.

Como la proteína necesaria para los dispositivos se puede obtener de las algas, se puede producir a bajo costo en comparación con los metales de tierras raras necesarios para las células de paneles solares actuales.

"Estos materiales fotosintéticos pueden cultivarse en aguas residuales y los elementos químicos necesarios para su ensamblaje están infinitamente disponibles, ", dijo el Dr. Plumeré." Como tal, abren una gran promesa para los dispositivos futuros para la recolección de energía sostenible, que a su vez pueden fabricarse de manera sostenible ".

La producción de dispositivos que pueden generar energía renovable de una manera respetuosa con el medio ambiente puede desempeñar un papel clave para ayudar a reemplazar la dependencia del planeta de los combustibles fósiles contaminantes. Pero la naturaleza intermitente de tales fuentes de energía renovable dificulta esta tarea. Cómo, por ejemplo, ¿Se pueden mantener las luces encendidas cuando las células solares no producen electricidad por la noche?

División de agua

La respuesta está en almacenar la energía producida por tales fuentes renovables, aunque hasta la fecha, las baterías modernas y otras opciones de almacenamiento ofrecen solo una capacidad limitada para hacer esto. Pero los científicos creen que la fotosíntesis también puede proporcionar una solución aquí.

"La forma más eficaz de almacenar energía renovable es producir un combustible como el hidrógeno, "dijo el Dr. Vincent Artero, químico de la Universidad de Grenoble Alpes y CEA-Grenoble, Francia. "Como la energía solar es la energía renovable más abundante, ¿por qué no desarrollar un proceso que capture directamente la luz solar y la transforme en combustible? "

El Dr. Artero y su equipo han copiado el metabolismo de algunas algas que utilizan energía solar para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. Financiado por el Consejo Europeo de Investigación de la UE, el proyecto PhotocatH2ode tiene como objetivo incorporar tintes y catalizadores bioinspirados en una celda fotoelectroquímica, produciendo una especie de hoja artificial que puede generar hidrógeno a partir de la luz solar y el agua.

"Nuestro enfoque utiliza componentes moleculares, como tintes, absorber la luz solar y los catalizadores para lograr la producción de hidrógeno, inmovilizado sobre electrodos transparentes ", dijo el Dr. Artero." Este trabajo abre nuevos horizontes para el desarrollo de nuevas tecnologías de producción de hidrógeno ".

Imitando la naturaleza

Pero entendiendo cómo las algas, Las plantas y las bacterias pueden convertir la energía de la luz a nivel molecular, lo que podría conducir a sistemas de captación de luz artificial aún más eficientes. Un equipo que trabaja en el proyecto ENLIGHT, financiado con fondos europeos, está desarrollando nuevos modelos teóricos y computacionales para desentrañar cómo funcionan estos sistemas complejos pero únicos.

"En estos organismos, la recolección de luz es la primera, paso fundamental de la fotosíntesis, "dijo la profesora Benedetta Mennucci, químico de la Universidad de Pisa en Italia, quien lidera ENLIGHT. "Los modelos desarrollados ahora se pueden aplicar a diferentes tipos de organismos para comprender si la naturaleza ha optimizado algunas características específicas, comunes a todos los sistemas, que pueden imitarse en los artificiales".

Este trabajo podría resultar crucial para impulsar un área emergente de investigación:la química impulsada por la energía solar. Este tiene como objetivo imitar la naturaleza mediante el uso de energía solar directamente para la producción de combustibles, productos químicos y materiales.

"Podríamos reemplazar todos nuestros métodos actuales para producir combustibles y productos químicos básicos por otros nuevos que utilicen agua, nitrógeno y dióxido de carbono como materiales de partida, junto con la luz o la electricidad renovable como insumo energético, ", dijo el Dr. Artero." Esto sería una revolución para Europa ".