Los sistemas fotosintéticos en la naturaleza transportan energía de manera muy eficiente hacia un centro de reacción, donde se convierte en una forma útil para la planta. Los científicos han estado usando esto como inspiración para aprender a transportar energía de manera eficiente en electrónica molecular y otras tecnologías. El físico Richard Hildner de la Universidad de Groningen y sus colegas han investigado el transporte de energía en un sistema artificial hecho de nanofibras. Los resultados fueron publicados en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense .

"Los sistemas fotosintéticos naturales han sido optimizados por miles de millones de años de evolución. Hemos encontrado esto muy difícil de copiar en sistemas artificiales, "explica Hildner, profesor asociado de la Universidad de Groningen. En los complejos recolectores de luz de bacterias o plantas, la luz se convierte en energía, que luego se transporta al centro de reacción con pérdidas mínimas.

manojos

Hace cinco años, Hildner y sus colegas desarrollaron un sistema en el que las moléculas en forma de disco se apilaban en nanofibras con longitudes superiores a 4 micrómetros y un diámetro de solo 0,005 micrómetros. En comparación, el diámetro de un cabello humano es de 50 a 100 micrómetros. Este sistema puede transportar energía como las antenas en los sistemas fotosintéticos. "Pero a veces vimos que el transporte de energía se atascaba en el medio de nuestras fibras de cuatro micrómetros de largo. Algo en el sistema parecía inestable, "recuerda.

Para mejorar la eficiencia del transporte de energía, Hildner y sus colegas crearon paquetes de nanofibras. "Ésta es la misma idea que se utiliza en la electrónica normal:se agrupan hilos de cobre muy delgados para crear un cable más robusto". Sin embargo, las nanofibras agrupadas resultaron ser peores para transportar energía que las fibras individuales.

Coherencia

La razón es un fenómeno llamado coherencia. Cuando se pone energía en las moléculas que componen las fibras, crea un estado excitado o excitón. Sin embargo, este estado excitado no es un paquete de energía asociado con una sola molécula. Hildner:"La energía se deslocaliza en varias moléculas y puede, por lo tanto, moverse rápida y eficientemente a través de la fibra ". Esta deslocalización significa que la energía se mueve como una onda de una molécula a la siguiente. Por el contrario, sin coherencia, la energía se limita a una sola molécula y debe saltar de una molécula a la siguiente. Este salto es una forma mucho más lenta de transportar energía.

"En los paquetes, se pierde la coherencia, "explica Hildner. Esto es causado por la tensión que el haz impone a cada fibra dentro de él." Las fibras están comprimidas, y esto hace que los grupos laterales de las moléculas choquen entre sí ". Esto cambia el panorama energético. En una sola fibra, la energía de los estados excitados de varias moléculas vecinas está al mismo nivel. En un paquete los entornos locales de las moléculas difieren, conduciendo a una diferencia en los niveles de energía.

Tour en bicicleta

"Imagina que estás en un recorrido en bicicleta. El perfil de altura del recorrido representa los niveles de energía en las moléculas que componen las fibras, "dice Hildner." Si va en bicicleta en los Países Bajos, llegará rápidamente a su destino porque el terreno es plano. A diferencia de, en los Alpes, debes pedalear cuesta arriba con bastante frecuencia, que es difícil y te ralentiza ". cuando los niveles de energía de las moléculas en las fibras son diferentes, el transporte se vuelve más difícil.

Este descubrimiento significa que la idea original del equipo, aumentar la eficiencia del transporte de energía utilizando paquetes de nanofibras, resultó ser un fracaso. Sin embargo, han aprendido lecciones valiosas de esto, que ahora los físicos teóricos pueden utilizar para calcular cómo optimizar el transporte en fibras moleculares. "Mis colegas de la Universidad de Groningen están haciendo precisamente eso. Pero ya sabemos una cosa:si desea un buen transporte de energía en nanofibras, no utilice paquetes ".

Resumen de ciencia simple

Las plantas y las bacterias fotosintéticas captan la luz solar a través de antenas moleculares, que luego transfieren la energía a un centro de reacción con pérdidas mínimas. A los científicos les gustaría fabricar cables moleculares que puedan transferir energía con la misma eficacia. Los científicos de la Universidad de Groningen crearon fibras diminutas apilando ciertas moléculas. Las fibras individuales transportan energía, aunque a veces funcionan mal. Se pensó que crear haces de fibras (como se hace con el cableado de cobre) era la solución, pero resultó que no era así. La energía se mueve rápido cuando se distribuye entre varias moléculas. En fibras simples, esto funciona bien pero en paquetes de fibras, esta propagación se ve obstaculizada a medida que las moléculas experimentan tensión. Estos resultados se pueden utilizar para comprender mejor el transporte de energía a lo largo de los cables moleculares. lo que ayudará en el diseño de mejores cables.