Las empresas que fabrican células solares comerciales están contentas si pueden lograr un 20 por ciento de eficiencia al convertir la luz solar en electricidad; una mejora de hasta el 1 por ciento se considera un avance importante. Pero la naturaleza que ha tenido miles de millones de años para afinar la fotosíntesis, puede hacerlo mucho mejor:microorganismos llamados bacterias verdes de azufre, que viven en las profundidades del océano donde apenas hay luz disponible, logran cosechar el 98 por ciento de la energía de la luz que les llega.

Ahora, Los investigadores dirigidos por un postdoctorado del MIT han analizado un sistema artificial que modela el método de captura de luz utilizado por las bacterias de aguas profundas. Los avances adicionales en la comprensión de los procesos fundamentales de captación de luz pueden generar enfoques completamente nuevos para captar la energía solar, dicen los investigadores. Sus resultados fueron publicados el 1 de julio en la revista. Química de la naturaleza .

El sistema artificial, descrito en un artículo anterior del postdoctorado Dörthe M. Eisele del Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT y colaboradores, Consiste en un sistema de autoensamblaje de moléculas de colorante que forman nanotubos de doble pared perfectamente uniformes. Estos tubos, de solo unos 10 nanómetros de ancho pero miles de veces más largos, son de tamaño similar, dan forma y funcionan a los receptores naturales utilizados por las bacterias verdes del azufre que recolectan energía de las pequeñas cantidades de luz solar que penetran en las profundidades del océano.

"Es uno de los grandes secretos de la naturaleza, cómo cosechar luz de manera tan eficiente, ”Dice Eisele. Sus coautores incluyen a Moungi G. Bawendi y el fallecido Robert J. Silbey, ambos profesores de química del MIT, junto con colaboradores de la Universidad Humboldt de Berlín, la Universidad de Texas en Austin y la Universidad de Groningen en los Países Bajos.

Eisele dice que es poco probable que este tipo particular de nanotubos encuentre aplicaciones prácticas. Bastante, ella dice, Estos experimentos fueron diseñados para estudiar los principios subyacentes que luego podrían usarse para encontrar materiales óptimos para usos particulares. "Este sistema es muy interesante porque es un sistema modelo hermoso, "Ella dice, para analizar cómo estas estructuras responden a la luz.

A diferencia de los sistemas típicos de autoensamblaje en los que cada estructura puede ser un poco diferente, estos tubos de doble pared, hecho de un tinte a base de cianina, formar formas y tamaños perfectamente uniformes.

Eso lo convierte en un sistema modelo perfecto, Eisele explica, porque saber que todos los nanotubos de una solución son idénticos permite estudiar sus propiedades a granel, en lugar de tener que aislar la respuesta de cada tubo individual.

Una pregunta fundamental que el equipo quería abordar era si los dos cilindros concéntricos de los tubos de doble pared funcionaban juntos como un sistema integrado para capturar la energía de la luz. o si cada cilindro estaba actuando por sí solo.

Para responder a esa pregunta, Eisele y su equipo idearon una forma de desactivar uno de los dos cilindros oxidando las moléculas de la pared exterior. “La estructura tubular aún está intacta, pero mata la respuesta óptica de la pared exterior, entonces lo que queda es la respuesta óptica de la pared interior, ”Ella dice. "Es una forma muy simple y elegante de aislar el espectro de la pared interior".

Al comparar las respuestas ópticas cuando ambos cilindros están funcionando y cuando solo uno está funcionando, es posible determinar cuánta interacción se está produciendo entre los dos cilindros. "Cuando observa la dinámica de la reacción redox, "Eisele dice, "Ves que estos dos cilindros pueden verse como dos sistemas separados".

Caracterizar esta estructura artificial simplificada puede permitir a los investigadores construir dispositivos de captación de luz más eficientes. "La naturaleza tuvo millones de años para optimizar" cómo los organismos capturan energía, Eisele dice; comprender cómo lo hizo puede conducir a mejores sistemas creados por el hombre.

"No queremos mejorar la eficiencia de las células solares que tenemos ahora, ”Ella dice. "Queremos aprender de la naturaleza cómo construir dispositivos de captación de luz completamente nuevos".

Gregory Scholes, el D.J. Profesor Distinguido LeRoy de Química en la Universidad de Toronto, que no estuvo involucrado en este trabajo, dice, "Los investigadores utilizaron experimentos exquisitos para probar cómo interactúan los componentes a nanoescala de este sistema después de la fotoexcitación". Agrega que el trabajo "proporciona información importante sobre el diseño de grandes conjuntos de moléculas para aplicaciones en la 'recolección de luz'".

La investigación fue apoyada por Deutsche Forschungsgemeinschaft, el Instituto de Investigación Integrativa de las Ciencias de Berlín, la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación Alexander von Humboldt, el Centro de Excitónica del Departamento de Energía, la Oficina de Investigación del Ejército y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.