Como se muestra en la ilustración anterior, la nanoestructura híbrida contiene diselenuro de molibdeno (MoSe2) como base, seleniuro de cadmio de núcleo-capa (CdSe) –sulfuro de zinc (ZnS) puntos cuánticos (QD) en el lado exterior, y la proteína aloficocianina (APC) intercalada entre las QD y MoSe2. Cuando el sistema se excita con luz (símbolo de rayo azul), la energía se transfiere de manera escalonada a través de los diferentes componentes, como lo indican las flechas grises. A la derecha se muestra una vista superior de la estructura de la proteína APC. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Para absorber la luz solar entrante, Las plantas y ciertos tipos de bacterias dependen de un complejo de proteínas que capta la luz y que contiene moléculas llamadas cromóforos. Este complejo canaliza la energía solar al centro de reacción fotosintética, donde se convierte en energía química para procesos metabólicos.
Inspirado por esta arquitectura que se encuentra en la naturaleza, Científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y de la Universidad Stony Brook (SBU) han ensamblado una estructura nanohíbrida que contiene materiales de origen biológico (bióticos) e inorgánicos (abióticos). Combinaron una proteína recolectora de luz de una cianobacteria, nanocristales semiconductores (puntos cuánticos), y un metal de transición semiconductor bidimensional (2-D) de solo una capa atómica de espesor. Descrito en un artículo publicado el 29 de abril en Fotónica ACS —Una revista de la American Chemical Society (ACS) —esta nanoestructura podría usarse para mejorar la eficiencia con la que las células solares recolectan energía del sol.
"Los mejores paneles solares de hoy pueden convertir casi el 23 por ciento de la luz solar que absorben en electricidad, pero en promedio, su eficiencia oscila entre el 15 y el 18 por ciento, "dijo el autor correspondiente Mircea Cotlet, científico de materiales en el Grupo de Nanomateriales Blandos y Biológicos del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) de Brookhaven Lab, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. "Si se puede aumentar esta eficiencia, se puede generar más electricidad. El nanohíbrido biótico-abiótico ensamblado muestra una mejor recolección de luz y generación de portadores de carga eléctrica en comparación con la estructura de solo semiconductores 2-D. Estas propiedades aumentan la respuesta del nanohíbrido a la luz cuando la estructura se incorpora a un transistor de efecto de campo (FET), una especie de dispositivo optoelectrónico ".
Al diseñar el nanohíbrido, Los científicos eligieron diselenuro de molibdeno bidimensional atómicamente delgado (MoSe 2 ) como plataforma para el montaje de abajo hacia arriba. El diselenuro de molibdeno es un semiconductor, o un material cuya conductividad eléctrica se encuentre entre la de un conductor regular (poca resistencia al flujo de corriente eléctrica) y el aislante (alta resistencia). Ellos combinaron MoSe 2 con dos nanomateriales potentes de captación de luz:puntos cuánticos (QD) y la proteína aloficocianina (APC) de las cianobacterias.
Mingxing Li (sentado) y Mircea Cotlet (izquierda) del Centro de Nanomateriales Funcionales de Brookhaven Lab y Jia-Shiang Chen del Departamento de Ciencia de Materiales e Ingeniería Química de la Universidad de Stony Brook utilizaron una técnica de autoensamblaje basada en las interacciones entre partículas cargadas eléctricamente (cargas opuestas se atraen; las cargas similares se repelen) para crear una estructura "nanohíbrida" que contenga materiales tanto de origen biológico como inertes. En comparación con las contrapartes no híbridas, el nanohíbrido muestra una mayor eficiencia de transferencia de energía y fotorreactividad, o respuesta a la luz:características ideales para aplicaciones de células solares. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Los científicos eligieron los componentes en función de sus propiedades de captación de luz y diseñaron los espacios de banda de los componentes (energía mínima requerida para excitar un electrón para que participe en la conducción) de modo que se pueda promover una transferencia de energía escalonada y concertada a través del nanohíbrido de manera direccional. En el híbrido la energía fluye desde los QD excitados por la luz a la proteína APC y luego a MoSe 2 . Esta transferencia de energía imita los sistemas de captación de luz natural donde los cromóforos de la superficie (en este caso, QDs) absorben la luz y dirigen la energía recolectada a cromóforos intermedios (aquí, APC) y finalmente al centro de reacción (aquí, MoSe 2 ).
Para combinar los diferentes componentes, los científicos aplicaron el autoensamblaje electrostático, una técnica basada en las interacciones entre partículas cargadas eléctricamente (las cargas opuestas se atraen; las cargas similares se repelen). Luego utilizaron un microscopio óptico especializado para sondear la transferencia de energía a través de los nanohíbridos. Estas mediciones revelaron que la adición de la capa de proteína APC aumenta la eficiencia de transferencia de energía del nanohíbrido con MoSe2 de una sola capa en un 30 por ciento. También midieron la fotorrespuesta del nanohíbrido incorporado en un FET fabricado y encontraron que mostraba la mayor capacidad de respuesta en relación con los FET que contienen solo uno de los componentes. produciendo más del doble de la cantidad de fotocorriente en respuesta a la luz entrante.
"Se transfiere más luz a MoSe 2 en el híbrido biótico-abiótico, "dijo el primer autor e investigador asociado Mingxing Li, quien está trabajando con Cotlet en CFN Soft and Bio Nanomaterials Group. "Mayor transferencia de luz combinada con la alta movilidad del portador de carga en MoSe 2 significa que más portadores serán recolectados por los electrodos en un dispositivo de celda solar. Esta combinación es prometedora para aumentar la eficiencia del dispositivo ".
Los científicos propusieron que agregar APC entre QD y MoSe2 crea un efecto de transferencia de energía "similar a un embudo" debido a la forma en que APC se orienta preferencialmente en relación con MoSe. 2 .
"Creemos que este estudio representa una de las primeras demostraciones de un nanohíbrido biótico-abiótico en cascada que involucra un semiconductor de metal de transición 2-D, ", dijo Li." En un estudio de seguimiento, Trabajaremos con teóricos para comprender más profundamente el mecanismo subyacente a esta transferencia de energía mejorada e identificar sus aplicaciones en la recolección de energía y la bioelectrónica ".
