Inspirándose en la naturaleza, los investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL), junto con colaboradores de la Universidad Estatal de Washington, crearon un material novedoso capaz de capturar energía luminosa. Este material proporciona un sistema de captación de luz artificial altamente eficiente con aplicaciones potenciales en energía fotovoltaica y bioimagen.
La investigación proporciona una base para superar los difíciles desafíos involucrados en la creación de materiales híbridos orgánicos-inorgánicos funcionales jerárquicos. La naturaleza proporciona hermosos ejemplos de materiales híbridos estructurados jerárquicamente, como huesos y dientes. Estos materiales suelen mostrar una disposición atómica precisa que les permite lograr muchas propiedades excepcionales, como una mayor resistencia y tenacidad.
El científico de materiales de PNNL, Chun-Long Chen, autor correspondiente de este estudio, y sus colaboradores crearon un nuevo material que refleja la complejidad estructural y funcional de los materiales híbridos naturales. Este material combina la capacidad de programación de una molécula sintética similar a una proteína con la complejidad de un nanocluster a base de silicato para crear una nueva clase de nanocristales altamente robustos. Luego programaron este material híbrido 2D para crear un sistema de recolección de luz artificial altamente eficiente.
Aunque estos tipos de materiales estructurados jerárquicamente son excepcionalmente difíciles de crear, el equipo multidisciplinario de científicos de Chen combinó su conocimiento experto para sintetizar una molécula de secuencia definida capaz de formar tal disposición. Los investigadores crearon una estructura similar a una proteína alterada, llamada peptoide, y unieron una estructura similar a una jaula basada en silicato precisa (abreviado POSS) a un extremo de la misma. Luego descubrieron que, en las condiciones adecuadas, podían inducir a estas moléculas a autoensamblarse en cristales perfectamente formados de nanohojas 2D. Esto creó otra capa de complejidad similar a una membrana celular similar a la que se ve en las estructuras jerárquicas naturales, al tiempo que conserva la alta estabilidad y las propiedades mecánicas mejoradas de las moléculas individuales.
Buscando inspiración en la naturaleza, los científicos crearon un sistema que podía capturar la energía de la luz de la misma forma que lo hacen los pigmentos que se encuentran en las plantas. Agregaron pares de moléculas «donantes» especiales y estructuras en forma de jaula que podrían unir una molécula «aceptora» en ubicaciones precisas dentro del nanocristal. Las moléculas donantes absorben luz a una longitud de onda específica y transfieren la energía luminosa a las moléculas aceptoras. Las moléculas aceptoras luego emiten luz en una longitud de onda diferente. Este sistema recién creado mostró una eficiencia de transferencia de energía de más del 96%, lo que lo convierte en uno de los sistemas de captación de luz acuosos más eficientes de su tipo hasta ahora.
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