Los investigadores suelen considerar la fotosíntesis (el proceso que convierte la luz solar en energía química en plantas y bacterias) como modelo de innovación. La fotosíntesis, a su vez, se une a los pigmentos de clorofila, pequeñas moléculas verdes que desempeñan un papel clave en la captación de luz. Naturalmente, estas moléculas de clorofila están organizadas en estructuras precisas en plantas y bacterias para optimizar la absorción de la luz y capturar eficientemente la luz solar para obtener energía. Inspirándose en esta estructura natural, los científicos han explorado formas de ensamblar artificialmente estructuras a base de clorofila para aplicaciones en optoelectrónica y energía renovable.
Un estudio reciente dirigido por el Prof. Shiki Yagai y el Sr. Ryu Kudo de la Escuela de Graduados en Ingeniería de la Universidad de Chiba en Japón mostró con un equipo de investigadores cómo el cambio de moléculas como la clorofila puede crear diferentes disposiciones estructurales y puede dar una dirección, lo que ofrece información. . que puede alterar el contenido de la captación de luz artificial. El estudio fue publicado en el Volumen 11, Número 22. Fronteras de la química orgánica El 08 de octubre de 2024.
“Las bacterias fotosintéticas utilizan matrices de clorofila altamente organizadas, que les permiten capturar la luz incluso en condiciones de poca luz. Nuestro objetivo era recrear estas estructuras basándose en un diseño molecular sintético similar, debido a sus propiedades fotofísicas. “La comparación puede ayudarnos a entender por qué Se seleccionaron tales estructuras. El proceso de evolución en la naturaleza”, explica el profesor Yegai. Para crear estas estructuras, el equipo modificó la molécula de clorofila uniendo una unidad de ácido barbitúrico a través de enlaces de hidrógeno y otras estructuras moleculares en forma de árboles llamadas “dendros” que forman anillos estables en forma de rosas y controlan su jerarquía.
Cuando la clorofila modificada se disolvió en diferentes disolventes, la clorofila rosa mostró un comportamiento notable. En un disolvente no polar como el metilciclohexano, los derivados de la clorofila con pequeños dendrones de segunda generación se apilaban en fibras helicoidales, mientras que aquellos con dendrones más voluminosos de tercera generación permanecían en pequeños agregados en forma de disco. De este modo, pueden ensamblar moléculas de clorofila en dos formas diferentes, a saber, pilas columnares y agregados discretos, que imitan las disposiciones circulares y tubulares que se observan en las bacterias fotosintéticas. Por el contrario, cuando se disuelven en cloroformo, ambos derivados de la clorofila forman muestras de rosas.
Utilizando técnicas de imagen avanzadas como la microscopía de fuerza atómica, la microscopía electrónica de transmisión y la dispersión de rayos X de ángulo pequeño, el equipo caracterizó las formas y patrones de disposición únicos de estos conjuntos de clorofila sintética. Descubrieron que los filamentos helicoidales formados por las clorofilas dendron de segunda generación exhiben una estructura altamente ordenada, mientras que las clorofilas dendron de tercera generación muestran una forma esférica más uniforme.
“Nuestros resultados muestran que ajustes sutiles en el diseño molecular pueden conducir a diferencias significativas en la estructura agregada final de la clorofila, que puede aprovecharse para crear materiales con propiedades específicas de captación de luz”, comentó el profesor Yegai. “Estos conocimientos sobre el control del autoensamblaje molecular podrían conducir a avances en la ciencia de los materiales funcionales. Estamos entusiasmados con el potencial de crear materiales que no sólo imiten sino que superen las capacidades de los sistemas fotosintéticos naturales”.
Por tanto, este estudio descubre muchas posibilidades para sintetizar materiales captadores de luz ajustando el ensamblaje de estructuras similares a la clorofila. En particular, el equipo del profesor Yagai aspira a desarrollar materiales que puedan imitar e incluso superar a los materiales naturales tanto en rendimiento como en adaptabilidad. Con aplicaciones prometedoras en la captación de energía solar, sensores avanzados y otras tecnologías que dependen de la absorción de luz y la transferencia de energía precisas, estas innovaciones podrían revolucionar el campo y conducir a la energía sostenible y redefinir las posibilidades de la energía solar.
