Químicos desarrollan molécula para un paso importante hacia la fotosíntesis artificial y combustibles más limpios

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Un equipo de investigación de la Universidad de Basilea, Suiza, desarrolló una nueva molécula basada en la fotosíntesis vegetal: bajo la influencia de la luz, almacena simultáneamente dos cargas positivas y dos negativas. El objetivo es convertir la luz solar en combustibles neutros en carbono.

Al igual que en la fotosíntesis natural, la nueva molécula almacena temporalmente dos cargas positivas y dos negativas. (Ilustración: Deyanira Geisnæs Schaad)

Las plantas utilizan la energía de la luz solar para convertir el dióxido de carbono (CO2) en moléculas de azúcar ricas en energía. Este proceso se llama fotosíntesis y es la base de prácticamente toda la vida: los animales y los humanos pueden absorber y utilizar los carbohidratos producidos de esta manera y utilizar la energía almacenada en ellos. Esto produce dióxido de carbono, cerrando el ciclo.

Combustibles buenos
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El modelo desarrollado por los científicos de la universidad suiza también podría ser la clave para combustibles respetuosos con el medio ambiente, ya que los investigadores trabajan en imitar la fotosíntesis natural y utilizar la luz solar para producir compuestos de alta energía: combustibles solares como el hidrógeno, el metanol y la gasolina sintética. Si se quemaran, producirían solo el dióxido de carbono necesario para producir los combustibles. En otras palabras, serían neutros en carbono.

Una molécula con una estructura especial
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En la publicación del hallazgo en la revista científica Nature Chemistry, el profesor Oliver Wenger y su estudiante de doctorado Mathis Brändlin informaron sobre un importante paso intermedio hacia la consecución de esta visión de la fotosíntesis artificial: han desarrollado una molécula especial que puede almacenar cuatro cargas simultáneamente bajo la irradiación de la luz: dos positivas y dos negativas.

El almacenamiento intermedio de múltiples cargas es un prerrequisito importante para convertir la luz solar en energía química: las cargas se pueden utilizar para impulsar reacciones, por ejemplo, para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno.

La molécula consta de cinco partes enlazadas en serie, cada una con una función específica. Un lado de la molécula tiene dos partes que liberan electrones y se cargan positivamente en el proceso. Dos del otro lado captan los electrones, lo que provoca que se carguen negativamente. En el centro, los químicos colocaron un componente que capta la luz solar e inicia la reacción (transferencia de electrones).

Dos pasos utilizando la luz
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Para generar las cuatro cargas, los investigadores adoptaron un enfoque gradual con dos destellos de luz. El primer destello incide en la molécula y desencadena una reacción en la que se generan una carga positiva y una negativa. Estas cargas se desplazan hacia los extremos opuestos de la molécula. Con el segundo destello, se produce la misma reacción, de modo que la molécula contiene dos cargas positivas y dos negativas.

Y… ¡funciona con poca luz!
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“Esta excitación gradual permite utilizar una luz significativamente más tenue. Como resultado, ya nos estamos acercando a la intensidad de la luz solar”, explicó Brändlin. Las investigaciones anteriores requerían una luz láser extremadamente potente, algo muy distinto a la visión de la fotosíntesis artificial. “Además, las cargas en la molécula se mantienen estables el tiempo suficiente para ser utilizadas en posteriores reacciones químicas”.

¿El punto inicial de un gran paso?
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Equipo de Química y Bioquímica liderado por el el Profesor Dr. Oliver Wenger, en la Universidad de Basilea

Dicho esto, la nueva molécula aún no ha creado un sistema de fotosíntesis artificial funcional. «Pero hemos identificado e implementado una pieza importante del rompecabezas», afirmó Oliver Wenger. Los nuevos hallazgos del estudio ayudan a mejorar la comprensión de las transferencias de electrones, fundamentales para la fotosíntesis artificial. «Esperamos que esto nos ayude a contribuir a nuevas perspectivas para un futuro energético sostenible», concluyó Wenger.

Cita
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El artículo Photoinduced Double Charge Accumulation in a Molecular Compound (Acumulación de doble carga fotoinducida en un compuesto molecular) fue publicado en la revista Nature Chemistry. Autores: Mathis Brändlin, Björn Pfund & Oliver S. Wenger.
El artículo Chemists develop molecule for important step toward artificial photosynthesis fue publicado en la sección de noticias en inglés de la Universidad de Basilea