Todos aprendimos sobre la fotosíntesis en algún momento de nuestra educación. Nos enseñaron que las plantas Utilizan la luz solar para sintetizar la energía para su supervivencia mientras crean oxígeno para que podamos respirar.  

Este proceso, que define la vida tal como la conocemos, es fácil de entender.

Pero, ¿cómo las plantas realmente convierten la luz en energía?

Eso siempre ha sido un misterio hasta ahora, gracias a los investigadores De la Universidad de Sheffield, en el Reino Unido, que Desbloqueado los secretos De la fotosíntesis y utilizó con éxito la mecánica subyacente para "transferir energía directa a través de la luz a nivel molecular". La investigación es innovadora y prepara el camino para futuras invenciones que dependen de la transferencia de energía a través de la luz, incluyendo la tecnología solar e informática.

El equipo de investigación de la universidad está liderado por Profesor Julia A. Weinstein, un profesor de química física, y Dr. Anthony JHM Meijer, un lector en química teórica.

El trabajo de investigación es publicado En química de la naturaleza.

La investigación

La fotosíntesis, en términos simples, es el proceso por el cual las plantas captan la luz solar, usan clorofila y la mezclan con agua, dióxido de carbono y minerales para producir alimentos, que utilizan como energía y oxígeno, que exhalan para que respiremos. en.

La fotosíntesis brinda a las plantas la capacidad de crear y almacenar energía, lo que implica la transferencia de electrones. Esta "transferencia de energía y carga" también forma la base para la conversión de energía solar en energía química, o de energía eléctrica a química.

La capacidad de "activar o desactivar la transferencia de electrones" no es nueva, según Weinstein.

"Lo que hace que nuestra investigación sea tan emocionante es que, a través de nuestra molécula sintética, ahora podemos dirigir el camino de un electrón de una manera muy específica y controlada", dijo Weinstein en un comunicado.

Weinstein se refiere a una nueva molécula de "horquilla" utilizada por los investigadores, que "puede dirigir el destino de un electrón de una manera precisa cuando se aplica un pulso de luz infrarroja particular".

"Al crear esta 'bifurcación molecular', ahora tenemos la capacidad de modelar procesos moleculares naturales, como la fotosíntesis", dijo Weinstein en un comunicado.

"Si podemos replicar cómo se almacena y utiliza la energía, entonces tenemos la base para desarrollar nuevas y emocionantes tecnologías moleculares para el futuro".

Los investigadores creen que la capacidad de dirigir energía a lo largo de una de varias rutas mediante horquillas moleculares tiene muchas aplicaciones potenciales.

"A partir de nuevas formas de capturar y almacenar la energía que nos llega desde el Sol [sic], hasta el desarrollo de nuevas formas de tecnología informática, esta investigación abre nuevas e interesantes oportunidades", dijo Weinstein en un comunicado. Los ejemplos proporcionados por los investigadores incluyeron el almacenamiento y la recuperación de información en la informática, donde la bifurcación molecular podría usarse para dirigir la carga, "utilizando luz roja de baja energía".

La investigación fue financiada por el Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas (EPSRC) y Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología (STFC).  

Más detalles de la investigación

Si bien la fotosíntesis es un concepto simple, la investigación es compleja. En un esfuerzo por capturar la complejidad del estudio, The University Network (TUN) estableció una sesión de preguntas y respuestas con Weinstein y Meijer para descubrir, en sus propias palabras, lo que estaba involucrado en su investigación.

¿Cómo la energía y la transferencia de carga impulsan la fotosíntesis y cualquier conversión de energía solar a química o eléctrica a química?

Cuando un fotón golpea una molécula, puede ser absorbido y la molécula se convierte en un estado de energía "excitada electrónicamente". Esto significa que la distribución de la densidad de electrones en la molécula ha cambiado - algunas regiones se vuelven más ricas en electrones, y algunas menos electrón-rico.

En la fotosíntesis, este desplazamiento de la densidad de electrones está causando "separación de carga" - el electrón es promovido de una parte del conjunto a otro, dejando atrás una vaca cargada con más fuerza, que usualmente se denomina agujero.

En efecto, la energía del fotón absorbido se ha gastado en separar una carga "-" y "+", y la energía se almacena ahora en este estado de mayor energía, separado de la carga. La parte de la molécula que pierde el electrón se llama donante, y la que toma el electrón - un aceptor.

Normalmente, el electrón y el agujero se recombinan y no hay ningún efecto neto del fotón que golpea a la molécula. Sin embargo, si uno separa espacialmente el electrón y el agujero, es decir, si se mueve el agujero a un extremo de la molécula y el electrón al otro extremo, entonces la recombinación puede ser ralentizada y estas cargas pueden persistir durante el tiempo suficiente para ser usadas - ya sea cosechada como electricidad en fotovoltaica, o conducir alguna química útil. Este es el motor clave para la fotosíntesis o cualquier conversión de energía solar-eléctrica-química.

En el caso de la fotosíntesis, los electrones se utilizan para reducir CO2 y en última instancia, la glucosa. Al mismo tiempo, los orificios se utilizan para oxidar el agua y liberar oxígeno. El electrón espaciado espacialmente y el agujero también podría ser utilizado directamente, ya que los electrones en movimiento son, por supuesto, la electricidad (es decir, cómo los paneles solares funcionan en pocas palabras).

Obtener el electrón en el lugar correcto para realizar la reducción de CO2 en la fotosíntesis es menos fácil de lo que suena, y hay indicios de que las interacciones sutiles (interferencia cuántica) entre los estados electrónicos de las diferentes partes de la luz cosecha proteínas juegan un papel crucial. Tales interferencias no son diferentes a las que usamos en este documento para obtener el resultado que queríamos.

¿Cómo creó el 'fork molecular'?

La idea de la horquilla molecular proviene de la multitud de vías electrónicamente similares, si no idénticas, en la fotosíntesis. Queríamos ver si podíamos canalizar los cargos en uno de los muchos caminos disponibles en un sistema artificial. Pero, ¿cómo hacer que los dos "caminos" sean idénticos pero distintos?

La clave detrás de la horquilla molecular es que los dos brazos contienen los mismos elementos en general, pero diferentes isótopos de carbono para las unidades de acetiluro, que puentean dos donantes a un aceptor. Así pues, los dos brazos son químicamente iguales, pero vibran con diversas frecuencias. Eso significa que podemos "dirigir" estas vibraciones individualmente, afectando a un brazo, pero no a otro. Esto implicó una pieza realmente dura de la síntesis.

Por favor díganos más sobre las oportunidades emocionantes abiertas por su investigación.

Si bien se inspira en la fotosíntesis, se trata de una investigación fundamental, que aún no ha evolucionado hasta convertirse en aplicaciones directas. Sin embargo, esta es la primera vez que este efecto se ha demostrado y hay una serie de áreas donde esto podría llegar a ser realmente emocionante.

Primero de todo, nuestra disposición permite dirigir las cargas abajo de uno o el otro brazo, a voluntad. Por lo tanto, estamos cambiando efectivamente el camino del agujero entre uno de los dos posibles caminos que puede tomar. Esto hace que el puente de platino-acetiluro parte del complejo efectivamente un interruptor de foto (o un conjunto de puntos, si desea utilizar una analogía ferroviaria). (Rápido) de conmutación es clave para toda nuestra tecnología moderna, pero por supuesto, la Internet en particular. Nuestra molécula es una versión molecular del tipo de conmutadores, que son omnipresentes al permitir que las computadoras se hablen entre sí y por lo tanto podrían ofrecer oportunidades en esta área. Los conmutadores de foto tienen un gran potencial en el almacenamiento y recuperación de información.

Además, utilizamos una luz infrarroja de baja energía, que transporta <10% de la energía de un fotón en el rango visible, para alterar la ruta de reactividad que toma la molécula. La luz infrarroja no afecta nada más en la molécula, realmente se dirige, específicamente, a una y única vibración a la que queremos apuntar.

En general, un quantum de luz infrarroja de baja energía puede "decir" a la molécula a dónde enviar las cargas - "izquierda o derecha". Eso podría ser utilizado en puertas lógicas, almacenamiento de información, reactividad a voluntad ... todo lo que necesita un "interruptor "Y se basa en más de un resultado potencial. Uno puede ver esto como "elección molecular".

Conclusión

Esta investigación pionera debe allanar el camino para los avances en la tecnología en muchos sectores.

"Esta es un área de investigación realmente apasionante inspirada por la fotosíntesis; utiliza los últimos avances en tecnología moderna de láseres ultrarrápidos, sintonizables, de pulso corto y enfoques teóricos de la mecánica cuántica en sistemas grandes, en un intento de dirigir la reactividad a voluntad ", dijeron Weinstein y Meijer a TUN.

"La capacidad de controlar la reactividad inducida por la luz, la acción y la función inducida por la luz es inmensamente emocionante, y creemos que gran parte del futuro en nanotecnología y tecnología informática tendrá el prefijo 'foto', cuando despegue el fotocontrol del nanomundo".

Los investigadores acreditan su éxito a su colaboración con otros.

"Este trabajo interdisciplinario fue provocado por una sorprendente y afortunada combinación de químicos sintéticos extremadamente talentosos, espectroscopistas láser y teóricos, de la Universidad de Sheffield y Central Laser Facility en el Laboratorio Rutherford Appleton - una frase que dice que la investigación interdisciplinaria es la ¡clave! ", le dijeron Weinstein y Meijer a TUN.