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Diseñan una célula que revoluciona lo que sabemos sobre la energía del Sol

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Los científicos de la Universidad Nacional de Investigaciones Nucleares (MEPhI) de Rusia (Moscú) crearon una célula solar a partir de un material híbrido que se compone de puntos cuánticos y proteínas fotosensibles.

Los autores del proyecto creen que puede resultar muy útil para el sector de energía solar y procesamiento óptico de la información. Los resultados de la investigación están publicados en Biosensors and Bioelectronics.

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Las proteínas de organismos unicelulares de arqueas —bacteriorodopsinas— son capaces de transformar la energía de la luz en la energía de enlaces químicos (igual que la clorofila de plantas). Esto se lleva a cabo mediante la transferencia de una carga positiva a través de la membrana celular. La bacteriorodopsina actúa como bomba de protones, lo que la convierte en un elemento natural de la célula solar.

Una diferencia importante entre la bacteriorodopsina y la clorofila es la capacidad de la primera de funcionar sin oxígeno. Esto permite a arqueas vivir en ambientes muy agresivos, por ejemplo, en el fondo del mar Muerto, lo que conllevó en el proceso de evolución a su alta estabilidad química, térmica y óptica. Al transportar protones, la bacteriorodopsina cambia repetidamente su color en fracciones de segundo, por eso es un material prometedor para la fabricación de procesadores holográficos.

​Los físicos de la MEPhI pudieron mejorar considerablemente estas características de la bacteriorodopsina, vinculándole con puntos cuánticos: nanopartículas semiconductoras capaces de concentrar la energía de la luz en un volumen de varios nanometros y transferirla a la bacteriorodopsina sin emitir la luz.

"Hemos creado una célula fotosensible muy eficaz que genera la corriente eléctrica bajo la luz con la energía de fotones muy baja. En las condiciones habituales tal célula no funciona, porque las moléculas fotosensibles, como la bacteriorodopsina, absorben la luz solo en un espectro estrecho de energías. Y los puntos cuánticos lo hacen en un espectro muy amplio y hasta pueden transformar dos fotones de baja energía en un fotón de energía alta", explica uno de los autores de la investigación, empleado de la MEPhI, Víktor Krivenkov.

Según el científico, al crear las condiciones para emitir un fotón de alta energía, un punto cuántico puede no emitirla sino transferir a la bacteriorodopsina. De esa forma en la MEPhI obtuvieron una célula capaz de funcionar bajo la luz en el espectro desde la radiación ultravioleta hasta la infrarroja.

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"Aplicamos la postura interdisciplinaria en la intersección de la química, la biología, la física de nanopartículas y la fotónica. Los puntos cuánticos se obtienen mediante la síntesis química y se cubren con moléculas que hacen su superficie biosensible y al mismo tiempo cargada, después de que los vinculan con la superficie de las bacteriorodopsinas, es decir arqueas con membranas púrpuras Halobacterium salinarum. Como resultado, tenemos sistemas híbridos en que la eficacia de la transferencia de la energía del punto cuántico a la bacteriorodopsina es muy alta [un 80%]", destaca el empleado del laboratorio de nano- y bioingeniería de la MEPhI, Igor Nabíev.

Según los autores de la investigación, los resultados obtenidos ponen de relieve la capacidad de crear elementos fotosensibles altamente eficaces a partir de estructuras biológicas. Se pueden aplicar no solo en el sector de la energía solar sino también para el procesamiento óptico de la información.

Los autores subrayan una alta calidad del material nanobiohíbrido y la perspectiva de superar los mejores modelos comerciales con un posible aumento considerable de la eficacia. La siguiente tarea del equipo científico en esta dirección es optimizar la estructura de la célula fotosensible.

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