Científicos de la Universidad de Groningen (Países Bajos) y la Universidad de Würzburg (Alemania) han investigado un sencillo sistema biomimético de captación de luz utilizando espectroscopia avanzada combinada con una plataforma de microfluidos. Los nanotubos de doble pared funcionan de manera muy eficiente a bajas intensidades de luz, mientras que son capaces de eliminar el exceso de energía a altas intensidades. Estas propiedades son útiles en el diseño de materiales novedosos para la recolección y transporte de energía fotónica. Los resultados fueron publicados en la revista Comunicaciones de la naturaleza el 10 de octubre.

La notable capacidad de los complejos fotosintéticos naturales para aprovechar de manera eficiente la luz solar, incluso en entornos oscuros, ha despertado un interés generalizado en descifrar su funcionalidad. Comprender el transporte de energía a nanoescala es clave para una variedad de aplicaciones potenciales en el campo de la optoelectrónica. La abrumadora complejidad de los sistemas fotosintéticos naturales, que consta de muchas subunidades ordenadas jerárquicamente, llevó a los científicos a centrar su atención en los análogos biomiméticos, que están estructurados como sus contrapartes naturales pero que pueden controlarse más fácilmente.

Moléculas recolectoras de luz

El grupo de Ciencia de la Materia Condensada Óptica y el grupo de Teoría de la Materia Condensada (ambos en el Instituto Zernike de Materiales Avanzados, University of Groningen) han unido fuerzas con colegas de la Universidad de Würzburg (Alemania) para obtener una imagen completa del transporte de energía en un complejo de captación de luz artificial. Utilizaron un nuevo enfoque espectroscópico de laboratorio en un chip, que combina espectroscopia multidimensional avanzada de resolución temporal, microfluidos, y modelado teórico extenso.

Los científicos investigaron un dispositivo de captación de luz artificial, inspirado en la red de antenas tubulares de paredes múltiples de bacterias fotosintéticas que se encuentran en la naturaleza. El dispositivo biomimético consta de nanotubos hechos de moléculas recolectoras de luz, autoensamblado en un nanotubo de doble pared. "Sin embargo, incluso este sistema es bastante complejo, "explica Maxim Pshenichnikov, profesor de espectroscopia ultrarrápida en la Universidad de Groningen. Su grupo ideó un sistema de microfluidos, en el que la pared exterior del tubo se puede disolver selectivamente y, por lo tanto, apagado. "Esto no es estable, pero en el sistema de flujo, se puede estudiar ". De esta manera, los científicos pudieron estudiar tanto la cámara de aire como el sistema completo.

Adaptación

Con poca intensidad de luz, el sistema absorbe fotones en ambas paredes, creando excitaciones o excitones. "Debido a los diferentes tamaños de las paredes, absorben fotones de diferentes longitudes de onda, "Explica Pshenichnikov." Esto aumenta la eficiencia ". A alta intensidad de luz, se absorbe una gran cantidad de fotones, creando una gran cantidad de excitones. "Observamos que, cuando dos excitones se encuentran, uno de ellos deja de existir ". Este efecto actúa como una especie de válvula de seguridad, ya que una gran cantidad de excitones podría dañar los nanotubos.

Por lo tanto, los científicos también demostraron que el nanotubo molecular de doble pared es capaz de adaptarse a las condiciones cambiantes de iluminación. Imitan los elementos funcionales esenciales de la caja de herramientas de diseño de la naturaleza en condiciones de poca luz al actuar como antenas muy sensibles, pero eliminan el exceso de energía a altas intensidades cuando hay demasiada luz, una situación que normalmente no ocurriría en la naturaleza. Ambas propiedades allanan el camino para un mejor control del transporte de energía a través de materiales moleculares complejos.