Partículas biónicas que se auto-ensamblan para captar la luz y generar energía

Un equipo de investigadores de la Universidad de Michigan y la Universidad de Pittsburgh ha construido las primeras partículas biónicas combinando semiconductores y proteínas. Estas nuevas partículas son capaces de recrear el corazón del proceso que permite que las plantas conviertan la luz solar en combustible.

Como se sabe, los esfuerzos humanos para transformar la energía de la luz solar en biocombustibles, ya sea utilizando materiales artificiales u organismos enteros, ha sido una tarea constante, pero que ha logrado resultados de poca eficiencia.

Esta situación está cambiando actualmente gracias a las partículas biónicas que combinan las fortalezas de materiales inorgánicos, que puede convertir fácilmente la energía luminosa en energía de electrones, con moléculas biológicas cuyas funciones químicas han sido desarrolladas a través de la evolución.

Los investigadores diseñaron primero las partículas al combinar un semiconductor usado comúnmente en células solares (teluro de cadmio), una proteína usada por las plantas para el transporte de electrones en la fotosíntesis (citocromo C). Con esta combinación, el semiconductor puede convertir un rayo de sol en un electrón, y la proteína puede transportar ese electrón para su uso en reacciones químicas que podrían limpiar la contaminación o producir combustible.

Para la conducción de las reacciones, las moléculas de proteínas y el semiconductor deben intercambiar electrones. El equipo de investigación observó que este proceso sería más eficiente si se conectaban los componentes, esto conllevó al diseñó de un proceso que les permitiría auto-ensamblarse en una partícula biónica, una superpartícula. El auto-ensamblaje es comparable con la forma en que las superficies de las células vivas se forman, mediante fuerzas de atracción que son fuertes a escalas pequeñas, pero que se debilitan cuando su estructura crece. El equipo confirmó que las partículas de semiconductores y las proteínas se ensamblan naturalmente en partículas más grandes, aproximadamente 100 nanómetros (0,0001 milímetros) de diámetro.

El equipo construyó de esta manera el proceso que ha generado la reacción durante la prueba. Convirtieron el nitrato en nitrito contaminante y oxígeno, lo que demostró que las partículas biónicas pueden aprovechar la luz solar para conducir reacciones químicas. Para este proceso, el semiconductor y la proteína necesitan ayuda de otras enzimas, que el equipo ha incorporado a las superpartículas. La enzima, desarrollada por electrones de la proteína, puede eliminar el oxígeno de las moléculas de nitrato. vCabe señalarse que, al igual que las estructuras que realizan la fotosíntesis en las plantas, las partículas biónicas sufrieron un considerable desgaste debido a la manipulación de la energía. Sin embargo, debe considerarse también que la naturaleza renueva constantemente estas áreas de trabajo en las plantas, y por medio del auto-ensamblaje, las partículas también pueden ser capaces de renovarse a sí mismas.

Los científicos indicaron, además, que potencialmente, podrían trabajar en un ciclo de tiempo que permita que las partículas se vuelvan a recuperar del desgaste. El auto-ensamblaje se produce debido a que los dos tipos de bloques de construcción son de tamaño y carga similar, informaron. Además, indicaron que, ahora que se entiende cómo funciona el fenómeno, podemos encontrar principios para optimizar las condiciones y ampliar nuestros resultados a otros tipos de sistemas biónicos.

Uno de los objetivos es la conversión de dióxido de carbono y agua en el gas natural, así como otras aplicaciones a partir del proceso de la fotosíntesis artificial.