Científicos de la Universidad de Groningen (Países Bajos) y la Universidad de Würzburg (Alemania) han investigado un sistema biomimético simple de captación de luz utilizando espectroscopía avanzada combinada con una plataforma microfluídica.
Los nanotubos de doble pared funcionan de manera muy eficiente a bajas intensidades de luz, mientras que pueden eliminar el exceso de energía a altas intensidades. Estas propiedades son útiles en el diseño de nuevos materiales para la recolección y el transporte de energía fotónica. Los resultados fueron publicados en la revista Nature Communications el 10 de octubre.
La notable capacidad de los complejos fotosintéticos naturales para aprovechar eficientemente la luz solar, incluso en entornos oscuros, ha despertado un interés generalizado en descifrar su funcionalidad. Comprender el transporte de energía en la nanoescala es clave para una gama de aplicaciones potenciales en el campo de la optoelectrónica. La abrumadora complejidad de los sistemas fotosintéticos naturales, que consisten en muchas subunidades dispuestas jerárquicamente, llevó a los científicos a centrar su atención en los análogos biomiméticos, que están estructurados como sus contrapartes naturales, pero que pueden controlarse más fácilmente.
Moléculas cosechadoras de luz
El grupo Optical Condensed Matter Science y el grupo Theory of Condensed Matter (ambos en el Instituto Zernike de Materiales Avanzados, Universidad de Groningen) han unido fuerzas con colegas de la Universidad de Würzburg (Alemania) para obtener una imagen completa del transporte de energía en un complejo artificial de captación de luz. Utilizaron un nuevo enfoque espectroscópico de laboratorio en un chip, que combina una espectroscopía multidimensional avanzada con resolución temporal, microfluídica y un extenso modelado teórico.
Los científicos investigaron un dispositivo artificial de captación de luz, inspirado en la red de antenas tubulares de paredes múltiples de bacterias fotosintéticas que se encuentran en la naturaleza. El dispositivo biomimético consiste en nanotubos hechos de moléculas de captación de luz, autoensamblados en un nanotubo de doble pared. “Sin embargo, incluso este sistema es bastante complejo”, explica Maxim Pshenichnikov, profesor de espectroscopía ultrarrápida en la Universidad de Groningen. Su grupo ideó un sistema microfluídico, en el que la pared exterior del tubo se puede disolver selectivamente y, por lo tanto, apagarse. “Esto no es estable, pero en el sistema de flujo se puede estudiar”. De esta manera, los científicos podrían estudiar tanto el tubo interno como el sistema completo.
Figura 1. Una descripción esquemática del sistema de captación de luz artificial utilizado en el estudio.
Adaptación
A baja intensidad de luz, el sistema absorbe fotones en ambas paredes, creando excitaciones o excitaciones. “Debido a los diferentes tamaños de las paredes, absorben fotones de diferentes longitudes de onda”, explica Pshenichnikov. “Esto aumenta la eficiencia”. A alta intensidad de luz, se absorbe una gran cantidad de fotones, creando una gran cantidad de excitones. “Observamos que, cuando se encuentran dos excitones, uno de ellos deja de existir”. Este efecto actúa como una especie de válvula de seguridad, ya que un gran número de excitones podría dañar los nanotubos.
Por lo tanto, los científicos también demostraron que el nanotubo molecular de doble pared es capaz de adaptarse a las condiciones cambiantes de iluminación. Imitan los elementos funcionales esenciales de la caja de herramientas de diseño de la naturaleza en condiciones de poca luz actuando como antenas altamente sensibles, pero eliminan el exceso de energía a altas intensidades cuando hay demasiada luz, una situación que normalmente no ocurriría en la naturaleza. Ambas propiedades allanan el camino para un mejor control del transporte de energía a través de materiales moleculares complejos.
Figura 2. Ilustración de cómo un dispositivo de captación de luz artificial tan simple como un nanotubo molecular de doble pared (representado en negro y rojo) es capaz de adaptarse a las condiciones cambiantes de iluminación (dos haces de luz) a través de la aniquilación de excitones (óvalos), imitando así los elementos funcionales esenciales de la caja de herramientas de diseño de la naturaleza.
Noticia de: Phys.org / Traducción libre del inglés por WorldEnergyTrade.com
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