Un reciente análisis del MIT muestra cómo los sistemas sintéticos para la captura de la energía del sol podrían hacerse más eficientes.
Un nuevo análisis realizado por investigadores del MIT podría hacer
posible el diseñar sistemas artificiales más eficientes que imitan la manera en que las plantas cosechan la energía de la luz del sol a través de la fotosíntesis.
El estudio es el último de una serie en curso que examina el proceso de
la fotosíntesis y las diferentes variables que determinan su eficiencia, llevada a cabo por el Profesor Asociado de Química Jianshu Cao y sus investigadores postdoctorales y colegas. El nuevo trabajo, que investiga los sistemas de fotosíntesis artificial basados en la auto-montaje de moléculas diseñadas por investigadores de la Universidad de California, Berkeley, sigue un documento que ellos publicaron recientemente en el New
Journal of Physics, sobre los factores que determinan la eficiencia en la fotosíntesis natural.
La esperanza, que están perseguiendo varios equipos de investigación de todo el mundo, es poder eventualmente producir sistemas químicos sintéticos que imiten los procesos de la naturaleza en la fotosíntesis y en consecuencia producir una forma más eficiente de aprovechar la energía del sol energía que los paneles fotovoltaicos de hoy, y que pueda ser utilizado para producir algún tipo de combustible que pueda ser almacenado y utilizado cuando sea necesario, eliminando los problemas de intermitencia
la energía solar. La comprensión de cómo maximizar la eficiencia del proceso es el primer paso hacia ser capaz de crear tal sistema.
La nueva investigación, de Cao y el becario postdoctoral Ji-Hyun Kim, encontró que hay muchas formas posibles que pueden estar formadas por haces de cromóforos – los centros de reacción dentro de las moléculas que realmente absorben las partículas de la luz del sol, o que transfieren esa energía o la convierten en formas químicas que se pueden almacenar para su uso posterior. Entre otras configuraciones, los cromóforos tanto adoptan una forma helicoidal (como un resorte) o forman un apilamiento de discos. En su análisis, la configuración de dicos apilados resultó especialmente fácil de ajustar para una óptima eficiencia.
Hay tres tipos básicos de cromóforos: los receptores, que absorben la energía de la luz, los donantes, que emiten luz, y los puentes, que transfieren la energía a partir de un centro de reacción a otro. En sistemas compuestos principalmente de donantes y receptores, el agregado de puentes extra puede aumentar la eficiencia del proceso, según encontraron los investigadores. Además, algunos ratios específicos de sitios de receptor a donante llevaron a la transferencia más eficiente de energía. Sus hallazgos fueron publicados en The Journal of Physical Chemistry, y el trabajo ha sido apoyado por la Iniciativa de Energía del MIT, la Alianza Singapur-MIT para la Investigación y la Tecnología, la Fundación Nacional de Ciencia y el Centro de Excitonics del MIT.
En el trabajo mencionado, Cao, el profesor de Química de Clase de 1942 Robert Silbey, y su estudiante postdoctoral, Jianlan Wu, habían encontrado que la eficiencia de la fotosíntesis natural puede ser mejorada mediante la adición de la cantidad justa de ruido - es decir, fluctuaciones aleatorias. Puesto que el ruido por lo general reduce la eficiencia, este hallazgo fue algo contrario a la lógica. La adición de más ruido también podría disminuir la eficiencia, llos encontraron. "Hay una cantidad óptima" de ruido, explica Silbey, que produce la transferencia más eficiente de energía.
Para explicar por qué una cierta cantidad de ruido puede ser útil, ofrece la analogía de la fricción con la carretera mientras se conduce un automóvil. Por supuesto, la fricción frena el coche un poco,
disminuyendo así la eficiencia, y con demasiada fricción el coche podría quedar paralizado. Pero si no hubiera fricción en absoluto - como en una helada superficie perfectamente lisa - las ruedas solo girarían y el coche no se movería en absoluto. Hay una cantidad óptima de fricción en algún punto intermedio, y eso es también el caso del ruido en un sistema de fotosíntesis. En el caso de la fotosíntesis, la energía se transfiere de una parte de la molécula a la próxima, y las fluctuaciones aleatorias del ambiente - o sea el ruido - puede agregar un impulso a los electrones en movimiento llevando la energía y ayudando a impulsarlos, hasta cierto punto, pero si este esfuerzo adicional fuera demasiado puede tener el efecto contrario, la dispersión de excitones por lo que es menos probable que lleguen al centro de la reacción donde esa energía se aprovecha.
La sistemas específicos de fotosíntesis que el equipo estudió incluyen los de las bacterias verdes del azufre, que tienen un tipo muy común de varios agregados cromóforos que realizan la conversión de la energía, dice Silbey.
Mientras muchos equipos de investigadores han estudiado la forma en la fotosíntesis se lleva a cabo en diferentes plantas, algas y bacterias, este trabajo se centró en los procesos mecánico-cuánticos subyacentes y calculó como una variedad de diferentes variables afectaron a la eficiencia del sistema, dice Cao. "Creemos que tenemos un panorama general de esto ahora, que se puede utilizar para el diseño óptimo"de nuevos sistemas sintéticos de recolección de luz. Este podría permitir la puesta a punto de los tiempos, las temperaturas y configuraciones moleculares para obtener la salida de energía máxima de una determinada cantidad de luz solar. La búsqueda de una optimización general en sistemas de recolección de luz está siendo perseguida por varios otros grupos, incluidas las de profesor del MIT de ingeniería mecánica Seth Lloyd, Alan Aspuru-Guzik de la Universidad de Harvard, y Martin Plenio de Ulm, Alemania.
Este análisis teórico fue disparado por los experimentos efectuados en los últimos años, incluyendo los de Greg Engel, profesor asistente de química en la Universidad de Chicago, que demostró la base de la mecánica cuántica para la fotosíntesis biológica. "Eso es lo que llevó a los teóricos a trabajar", dice Cao, y los llevó a buscar un entendimiento básico que podría llevar a los posibles sistemas de mayor eficiencia. El siguiente paso será
ser para que otros puedan aplicar este conocimiento al diseño de nuevos sistemas de sínteticos.
Engel, quien no participó en esta investigación del MIT, dice que es "una hermosa pieza de trabajo." Añade que "durante mucho tiempo hemos sabido que la fotosíntesis ha sido optimizada por la evolución, pero la comprensión de la forma en que se ha optimizado proporciona una manera de avanzar "
al tratar de diseñar sistemas sintéticos optimizados similares. "Ahora que podemos tomar ventaja de esto y copiar algunos de los principios de diseño " que la naturaleza ha utilizado, dice, "esto abre muchas nuevas oportunidades para nosotros de aprovechar los tres y medio millones de años de investigación y dearrollo que la naturaleza ha hecho. "
Pero esto es sólo el comienzo de un largo proceso en términos de la aplicación de este entendimiento, Engel dice: "Todavía hay mucho trabajo por hacer. Esta no es la respuesta, esto es el comienzo de la hoja de ruta, la primera señal en el camino.
Fuente: David Chandler – MIT News