NeoFronteras

Hacia la fotosíntesis artificial

Área: Tecnología — jueves, 7 de octubre de 2010

Consiguen conectar puntos cuánticos a moléculas de clorofila modificadas, uniendo así la nanotecnología inorgánica con la química biológica. Es un paso más hacia la fotosíntesis artificial.

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Esquema del sistema. Fuente: Wiley-VCH Verlag.

Un grupo de investigadores pertenecientes a distintas instituciones internacionales consigue conectar un punto cuántico a un complejo clorofílico. La meta sería crear un sistema fotosintético artificial con mayor rendimiento que el natural para la producción de energía de origen solar.
Veamos primero lo que es un punto cuántico. Un punto cuántico es básicamente un átomo artificial desde el punto de vista electro-óptico. En un átomo normal el electrón más “exterior” (llamado óptico) está sometido al potencial culombiano del núcleo atómico, que está más o menos apantallado por las capas de electrones que hay entre medias. Ese potencial confina a ese electrón y, según la Mecánica Cuántica, determina sus posibles niveles de energía.
El electrón puede absorber energía que le llegue de fuera y alcanzar un nivel de energía superior en un estado que se llama excitado. Más tarde puede emitir esa energía como un fotón que abandona el átomo, ya que el estado excitado es inestable. El nivel más bajo de energía es el estado fundamental que es estable y no emiten fotones.
Esos saltos de energía determinan las propiedades ópticas a la hora de absorber o emitir luz y dependen del átomo considerado. No hay más átomos que los de la tabla periódica, así que las posibilidades en fluorescencia, por ejemplo, están limitadas a esa tabla.
Una manera de solucionar esta limitación es crear puntos cuánticos, que son estructuras hechas de semiconductores que determinan un pozo de potencial eléctrico hecho a la medida, puede ser de tipo cuadrado en lugar de culombiano. El tamaño, forma y composición del punto cuántico determina los niveles de energía de los electrones que confina y como estas propiedades se pueden cambiar a voluntad se pueden elegir por tanto los niveles de energía que se desee. Es decir, se pueden tener las propiedades espectroscópicas que se deseen.
Se pueden por ejemplo crear puntos cuánticos que absorban fotones de determinada energía (determinada longitud de onda) para su uso, por ejemplo, en energía solar fotovoltaica. De este modo, escogiendo una combinación adecuada de estos puntos cuánticos se puede cubrir la parte visible del espectro solar e incluso un poco más. Lo malo es que no es fácil extraer luego esa energía que han conseguido absorber.
Veamos ahora cómo funciona la clorofila. La molécula de clorofila tiene distintas partes que se encargan de distintas funciones. De este modo contiene una parte, un complejo proteico, que funciona a modo de antena. Está basado en pigmentos que se excitan hasta un nivel superior de energía cuando absorben determinados fotones de luz. Luego, esa energía es transferida desde allí a través los cofactores clorofílicos en el centro de reacción del sistema al resto del complejo. La energía se pasa de un lado a otro gracias a un proceso en el que no interviene la radiación electromagnética que se denomina transferencia de energética por resonancia de Förster (o FRET en sus siglas inglesas) y en el que los estados electrónicos del emisor y del receptor de la energía deben de estar en resonancia. Finalmente esa energía es transformada en energía química que la planta puede almacenar y usar en forma de ATP.
Las distintas clases de clorofila están sintonizadas para absorber fotones de determinadas longitudes de onda o colores. Así por ejemplo, la clorofila habitual no absorbe los fotones verdes.
En experimentos previos en fotosíntesis artificial se habían utilizado pigmentos sintéticos a modo de antenas, pero captaban poca energía o en una gama de frecuencias estrecha. Pero este inconveniente no lo tendrían puntos cuánticos especialmente diseñados.
Ahora imaginemos que en lugar de usar las antenas orgánicas habituales de la clorofila (naturales o sintéticas) usamos puntos cuánticos. Esto es precisamente lo que han hecho estos investigadores.
Tomaron puntos cuánticos de seleniuro de cadmio y teleniuro de cadmio, diseñados para absorber energía en un amplio espectro y que normalmente devuelven esa energía por fluorescencia. La idea era colocar estos puntos cuánticos a modo de antenas y que pudieran pasar la energía captada por transferencia de energética por resonancia. Así que eliminaron los complejos proteínicos que hacen de antena de moléculas de clorofila que fueron extraídas de bacterias purpúreas y en su lugar pusieron puntos cuánticos. Estos puntos cuánticos estaban conectados al centro de reacción del sistema fotosintético. Entonces al iluminarlos dejaron de fluorescer, señal inequívoca de que estaban transfiriendo la energía captada al centro de reacción a través de FRET.
Este es un paso más hacia la fotosíntesis artificial, pero queda trabajo por hacer. Todavía hay que extraer esa energía para su uso práctico.

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Fuentes y referencias:
Artículo original.

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7 Comentarios

  1. josejuan:

    Impresionante…

  2. lluís:

    Sí, impresionante. Esta es ciencia de la buena.Esos “puntos cuánticos”, tal como se describen, parecen actuar como un “campo cuántico”.Me pregunto cómo se podría extraer esa energía.¿alguna idea?.
    Saludos.

  3. joabbl:

    Quizá extraer esa energía no sería muy rentable, porque parece que siempre será escasa para nuestras necesidades, pero se me ocurren algunas ideas curiosas, como crear plantas que puedan vivir con poca o demasiada luz, que se “alimenten” solo con luz roja o verde o de cualquier otro color. Plantas que puedan vivir solo con unos minutos de luz al día, o con luz infrarroja que nos “sobre” por las noches. Podríamos repoblar con plantas a la medida otros planetas para hacerlos habitables… Diseño inteligente del bueno. Quien sabe…

    Saludos

  4. NeoFronteras:

    Estimado Lluís:
    Los puntos cuánticos no son nada mágicos, simplemente determinan un potencial eléctrico que generalmente es de tipo cuadrado en lugar del culombiano con forma de “embudo”. Nada que no aparezca como primer ejemplo en un manual de Mecánica Cuántica.
    Ya se intentan utilizar en células solares con algún éxito, pero aunque cada punto tenga alto rendimiento el conjunto no lo tiene, pues hay muchas pérdidas.
    En este campo siempre es una cuestión de eficiencia.

  5. NeoFronteras:

    Estimado joabbl:
    Ya se trabaja en árboles modificados genéticamente para que tengan mayor eficiencia fotosintética. Era una noticia que estaba “encolada” pero al final no ha salido.

  6. tomás:

    Muy estimado Neo:
    No entiendo por qué se habla de “potencial de tipo cuadrado”, en contraposición con “culombiano”. Tengo bastante olvidada la electricidad, pero creo recordar que el potencial entre cargas puntuales es inverso a la distancia, mientras que la fuerza de atracción o repulsión entre ellas es inverso al cuadrado de esa distancia. ¿Será cosa de la MC que tanto ignoro?
    Un cordial saludo.

  7. NeoFronteras:

    Estimado Tomás:
    El potencial de tipo “cuadrado” o de “pozo cuadrado” hace referencia a la forma del mismo. El de una carga puntual tiene la forma típica coulombiana en forma de “embudo”.

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