(PhysOrg.com) - Un equipo de investigadores del MIT ha encontrado una forma novedosa de imitar el proceso mediante el cual las plantas usan el poder de la luz solar para dividir el agua y producir combustible químico para impulsar su crecimiento. En este caso, el equipo utilizó un virus modificado como una especie de andamio biológico que puede ensamblar los componentes a nanoescala necesarios para dividir una molécula de agua en átomos de hidrógeno y oxígeno.

Dividir el agua es una forma de resolver el problema básico de la energía solar:solo está disponible cuando brilla el sol. Al usar la luz solar para producir hidrógeno a partir del agua, el hidrógeno se puede almacenar y utilizar en cualquier momento para generar electricidad utilizando una pila de combustible, o para fabricar combustibles líquidos (o usarse directamente) para automóviles y camiones.

Otros investigadores han creado sistemas que utilizan electricidad, que puede ser proporcionado por paneles solares, para dividir moléculas de agua, pero el nuevo sistema de base biológica omite los pasos intermedios y utiliza la luz solar para impulsar la reacción directamente. El avance se describe en un artículo publicado el 11 de abril en Nanotecnología de la naturaleza .

El equipo, dirigido por Angela Belcher, el Profesor Germeshausen de Ciencia e Ingeniería de Materiales e Ingeniería Biológica, diseñó un común, virus bacteriano inofensivo llamado M13 para que atraiga y se una a las moléculas de un catalizador (el equipo usó óxido de iridio) y un pigmento biológico (porfirinas de zinc). Los virus se convirtieron en dispositivos similares a cables que podían dividir de manera muy eficiente el oxígeno de las moléculas de agua.

Tiempo extraordinario, sin embargo, los cables de virus se agruparían y perderían su eficacia, por lo que los investigadores agregaron un paso adicional:encapsularlos en una matriz de microgel, por lo que mantuvieron su disposición uniforme y mantuvieron su estabilidad y eficiencia.

Si bien el hidrógeno obtenido del agua es el gas que se utilizaría como combustible, la separación del oxígeno del agua es la "semirreacción" técnicamente más desafiante del proceso, Belcher explica, por lo que su equipo se centró en esta parte. Plantas y cianobacterias (también llamadas algas verde azuladas), ella dice, "han desarrollado sistemas fotosintéticos altamente organizados para la oxidación eficiente del agua". Otros investigadores han intentado utilizar las partes fotosintéticas de las plantas directamente para aprovechar la luz solar. pero estos materiales pueden tener problemas de estabilidad estructural.

Belcher decidió que en lugar de tomar prestados los componentes de las plantas, ella tomaría prestados sus métodos. En células vegetales, se utilizan pigmentos naturales para absorber la luz solar, mientras que los catalizadores promueven la reacción de separación del agua. Ese es el proceso de Belcher y su equipo, incluido el estudiante de doctorado Yoon Sung Nam, el autor principal del nuevo artículo, decidió imitar.

En el sistema del equipo, los virus simplemente actúan como una especie de andamiaje, haciendo que los pigmentos y catalizadores se alineen con el tipo correcto de espacio para desencadenar la reacción de división del agua. El papel de los pigmentos es "actuar como una antena para capturar la luz, "Belcher explica, "y luego transferir la energía a lo largo del virus, como un alambre. El virus es un recolector de luz muy eficiente, con estas porfirinas unidas.

"Usamos componentes que la gente ha usado antes, " ella agrega, "pero usamos la biología para organizarlos por nosotros, para que obtenga una mayor eficiencia ".

El uso del virus para hacer que el sistema se monte a sí mismo mejora cuatro veces la eficiencia de la producción de oxígeno, Nam dice. Los investigadores esperan encontrar un sistema de base biológica similar para realizar la otra mitad del proceso, la producción de hidrógeno. En la actualidad, los átomos de hidrógeno del agua se dividen en sus componentes protones y electrones; una segunda parte del sistema, ahora en desarrollo, los volvería a combinar en átomos y moléculas de hidrógeno. El equipo también está trabajando para encontrar un lugar más común, material menos costoso para el catalizador, para reemplazar el iridio relativamente raro y costoso utilizado en este estudio de prueba de concepto.

Thomas Mallouk, el Profesor DuPont de Química y Física de Materiales en la Universidad Estatal de Pensilvania, que no estuvo involucrado en este trabajo, dice, "Este es un trabajo extremadamente inteligente que aborda uno de los problemas más difíciles de la fotosíntesis artificial, a saber, la organización a nanoescala de los componentes para controlar las tasas de transferencia de electrones ".

Y añade:"Hay una enorme combinación de problemas que deben resolverse antes de que este o cualquier otro sistema fotosintético artificial pueda ser realmente útil para la conversión de energía". Ser rentable con otros enfoques de la energía solar, él dice, el sistema debería ser al menos 10 veces más eficiente que la fotosíntesis natural, poder repetir la reacción mil millones de veces, y utilizar materiales menos costosos. "Es poco probable que esto suceda en un futuro cercano, ", dice." Sin embargo, la idea de diseño ilustrada en este documento podría, en última instancia, ayudar con una pieza importante del rompecabezas ".

Belcher ni siquiera especulará sobre cuánto tiempo podría llevar desarrollar esto en un producto comercial, pero dice que dentro de dos años espera tener un dispositivo prototipo que pueda llevar a cabo todo el proceso de dividir el agua en oxígeno e hidrógeno. utilizando un sistema autosostenible y duradero.