Investigadores de la Universidad de California, Orilla, tengo, por primera vez, utilizó con éxito dipolos eléctricos para suprimir completamente la transferencia de electrones en una dirección mientras aceleraba en la otra. El descubrimiento podría ayudar al desarrollo de células solares mejoradas y otros dispositivos de conversión de energía y acelerar el diseño de materiales electrónicos y de energía nuevos y excelentes.

No es exagerado decir que la vida depende de una transferencia de electrones estrictamente regulada.

La transferencia de electrones es uno de los procesos más fundamentales para mantener la vida y para la conversión de energía. Ocurre cuando un electrón se mueve de un átomo o molécula a otro, trayendo consigo su energía eléctrica. Fotosíntesis, respiración mitocondrial y celular, y la fijación de nitrógeno se encuentran entre los muchos procesos biológicos que son posibles gracias al movimiento ordenado de los electrones.

Debido a que la transferencia de electrones es ubicua e importante, Los científicos han invertido enormes esfuerzos en comprender el proceso, y usaron lo que aprendieron para crear células solares, celdas de combustible, baterías y muchos otros dispositivos que también dependen de una transferencia de electrones eficiente.

Pero el delicado ballet de electrones en los seres vivos coreografiado a lo largo de eones de evolución es más como zambullirse en un escenario cuando se aplica a tecnologías creadas por humanos.

Los científicos pueden controlar la transferencia de electrones hasta cierto punto, pero tienen dificultad para agrupar todas las partículas subatómicas en una sola dirección. Cuando dirigen electrones hacia adelante, inevitablemente, algunos también se mueven hacia atrás, provocando una pérdida de energía.

Valentine Vullev, profesor de bioingeniería en el Bourns College of Engineering, dirigió un equipo internacional de investigadores de UC Riverside, Polonia, la República Checa, y Japón, que utilizó dipolos moleculares para aprovechar la transferencia de electrones. Los dipolos moleculares ocurren cuando uno de los átomos de una molécula tiene una composición que es más probable que atraiga electrones, que tienen una carga eléctrica negativa. Los dipolos moleculares están en todas partes y tienen poderosos, Campos eléctricos a nanoescala que pueden guiar los procesos de transferencia de electrones deseados y suprimir los no deseados.

Mientras que los dipolos eléctricos generan campos enormes a su alrededor, la fuerza de los campos eléctricos disminuye rápidamente con la distancia. Por lo tanto, es fundamental colocar el dipolo lo más cerca posible de las moléculas de transferencia de electrones.

El grupo de Vullev incorporó el dipolo dentro de la molécula donadora de electrones, Electreto de 5-N-amido-antranilamida, una sustancia con carga eléctrica semipermanente y polarización dipolo, similar a un imán. Los investigadores expusieron el electret a diferentes disolventes para desencadenar la transferencia de electrones. Con disolventes de baja polaridad, mejoraron considerablemente el efecto de los dipolos y guiaron todos los electrones en una sola dirección.

Esta es la primera vez que los científicos han demostrado que el dipolo acelera la transferencia de electrones en una dirección y la suprime por completo en la otra.

"Este descubrimiento abre las puertas para guiar los procesos de transferencia de electrones, mientras se suprime la transducción de electrones hacia atrás no deseada, que es uno de los santos griales de la fotofísica y la ciencia de la energía, ", Dijo Vullev.

La clave estaba en lograr un delicado equilibrio entre reducir la polaridad del solvente para mejorar el efecto dipolo sin matar la transferencia de electrones por completo. Los componentes moleculares de diseño personalizado con las propiedades electrónicas adecuadas ayudaron a optimizar este equilibrio.

"Si bien parece que estamos resolviendo un importante problema de física, química y física, los hallazgos de nuestro trabajo pueden tener amplios impactos interdisciplinarios, y resultan importantes para los campos pertinentes, como la biología molecular, fisiología celular, y ciencia e ingeniería de la energía, ", dijo Vullev." Una mejor comprensión de la transferencia de electrones a nivel molecular mejorará nuestra comprensión de los sistemas vivos y servirá como base para tecnologías energéticas eficientes ".