A medida que los formuladores de políticas recurren cada vez más a la ciencia para abordar el cambio climático global, Un científico de la Universidad Estatal de Michigan está mirando a la naturaleza para desarrollar la próxima generación de tecnología de energía solar.

Profesor de la Fundación MSU James McCusker, Departamento de Química, cree que el futuro de la energía solar está en abundancia, Materiales escalables diseñados para imitar y mejorar los sistemas de conversión de energía que se encuentran en la naturaleza.

En un nuevo e innovador estudio en Naturaleza , McCusker revela un proceso novedoso que permite a las moléculas decirles a los científicos cómo deben modificarse para absorber y convertir mejor la energía solar. El método utiliza una propiedad molecular conocida como coherencia cuántica donde diferentes aspectos de una molécula son sincrónicos, como cuando la señal de giro de su automóvil parpadea al unísono con la del automóvil que está frente a usted. Los científicos creen que la coherencia cuántica puede desempeñar un papel en la fotosíntesis natural.

"Nuestro trabajo es la primera vez que alguien ha intentado utilizar activamente la información obtenida de la coherencia cuántica como guía, una hoja de ruta, para sugerir cuáles son los aspectos más importantes de la estructura de una molécula que contribuyen a una propiedad determinada". ", Dijo McCusker." Estamos utilizando ciencia sofisticada que proporciona los medios para que la naturaleza nos enseñe en qué debemos concentrarnos en el laboratorio ".

Luz del sol, aunque abundante, es una fuente de energía de baja densidad. Para recolectar cantidades significativas de energía, necesita una mayor cantidad de espacio. Sin embargo, los materiales más eficaces que se utilizan hoy en día para la conversión de energía solar, como el rutenio, son algunos de los metales más raros de la Tierra. Las tecnologías solares futuras deben poder ampliarse con métodos de conversión de energía más eficientes y baratos.

"Cuando doy charlas sobre ciencias de la energía en escuelas de pregrado o para el público en general, Medio en broma digo que hay muchas hojas en los árboles por una razón, "Dijo McCusker." Bueno, hay muchas hojas por una razón:la captura de luz es un problema de material intensivo debido a la (relativamente) baja densidad de energía de la luz solar. La naturaleza resuelve este problema produciendo muchas hojas ".

Los compuestos que absorben la luz en los métodos sintéticos comunes para la fotosíntesis artificial hacen uso de estados moleculares excitados producidos después de que una molécula absorbe energía de la luz solar. La absorción de energía luminosa existe el tiempo suficiente para ser utilizada en reacciones químicas que dependen de la capacidad de mover electrones de un lugar a otro. Una posible solución es encontrar materiales más comúnmente disponibles que puedan lograr el mismo resultado.

"El problema de cambiar (de metales raros de la Tierra) a algo que abunda en la Tierra como el hierro, donde el problema de escalabilidad desaparece, es que los procesos que le permiten convertir la luz solar absorbida en energía química son fundamentalmente diferentes en estos materiales más ampliamente disponibles, McCusker dijo. El estado de excitación producido por la absorción de energía luminosa en un compuesto a base de hierro, por ejemplo, decae demasiado rápido para permitir su uso de manera similar.

Introduzca la coherencia cuántica como guía. Al golpear una molécula con un estallido de luz que dura menos de una décima parte de una billonésima de segundo, McCusker y sus estudiantes pudieron observar la interconexión entre el estado excitado de la molécula y su estructura, permitiéndoles visualizar cómo se movían los átomos de la molécula durante la conversión de energía solar en química.

"Una vez que tuvimos una idea de cómo ocurrió este proceso, el equipo usó esa información para modificar sintéticamente la molécula de tal manera que ralentizara la velocidad del proceso, McCusker dijo:"Este es un objetivo importante que debe lograrse si estos tipos de cromóforos, una molécula que absorbe longitudes de onda particulares de luz visible y son responsables del color de un material, van a encontrar su camino hacia las tecnologías de energía solar".

"La investigación demuestra que podemos usar este fenómeno de coherencia para enseñarnos qué tipo de cosas podríamos necesitar incorporar en la estructura molecular de un cromóforo que usa materiales más abundantes en la tierra para permitirnos usar la energía almacenada en la molécula al momento de la absorción. de luz para una amplia gama de aplicaciones de conversión de energía ".

Para McCusker, Se espera que este avance acelere el desarrollo de nuevas tecnologías, "Eliminando gran parte del ensayo y error que implican los esfuerzos científicos al decirnos desde el principio qué tipo de sistema necesitamos diseñar".

¿Qué sigue? "¿Qué tal una celda solar basada en astillas de pintura y óxido?" Dijo McCusker. "No hemos llegado todavía, pero la idea detrás de esta investigación es usar la coherencia cuántica para aprovechar la información que la molécula ya posee y luego usar esa información para cambiar las reglas del juego ".

El artículo, "Aprovechando la coherencia del estado excitado para el control sintético de la dinámica ultrarrápida" aparece en la portada de Naturaleza .