Inspirados en la naturaleza, investigadores del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), han creado un novedoso material capaz de capturar la energía de la luz, proporcionando un sistema de recolección de luz artificial altamente eficiente para el desarrollo de aplicaciones relacionadas con la fotovoltaica y la bioimagen.
En la naturaleza, los biominerales, como huesos, dientes o conchas calcáreas de organismos marinos, son materiales híbridos orgánicos-inorgánicos con una estructura jerárquica que permite una disposición atómica precisa que les permite lograr propiedades excepcionales, como una mayor resistencia y tenacidad.
El científico de materiales de la PNNL Chun-Long Chen, autor correspondiente de este estudio, junto con colaboradores del PNNL y de la Universidad Estatal de Washington crearon un nuevo material que refleja la complejidad estructural y funcional de los materiales híbridos naturales. Este material combina la programabilidad de una molécula sintética similar a proteínas con la complejidad de un nanoclúster 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. Los resultados de la investigación fueron publicados recientemente en Science Advances.
“El sol es la fuente de energía más importante que tenemos. Queríamos ver si podíamos programar nuestros nanocristales híbridos para cosechar energía de la luz, al igual que las plantas y las bacterias fotosintéticas, mientras al mismo tiempo, logramos una alta robustez de estos sistemas sintéticos”, explica Chen.
Grandes sueños, pequeños cristales
Aunque este tipo de materiales estructurados jerárquicamente son excepcionalmente difíciles de crear, el equipo de científicos liderado por Chen logró sintetizar una molécula de secuencia definida capaz de formar tal disposición.
Los investigadores crearon una estructura similar a una proteína alterada, llamada peptoide, y la unieron a una estructura basada en silicato en forma de jaula (POSS) a un extremo de la misma. Posteriormente 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 la membrana celular que se ve en las estructuras jerárquicas naturales, al tiempo que conservaba la alta estabilidad y las propiedades mecánicas mejoradas de las moléculas individuales.
Diseño de materiales bioinspirados
Una vez que el equipo creó con éxito estos nanocristales de peptoides POSS y demostró sus propiedades únicas, incluida la alta programabilidad, se propusieron explotar estas propiedades. Programaron el material para incluir grupos funcionales especiales en lugares específicos y distancias intermoleculares. Debido a que estos nanocristales combinan la fuerza y estabilidad del POSS con la variabilidad del bloque de construcción de peptoides, las posibilidades de programación eran infinitas.
Una vez más buscando inspiración en la naturaleza, los científicos crearon un sistema que podría capturar la energía de la luz de la manera en 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.
Demostrando los usos de los peptoides POSS en aplicaciones de bioimagen
Para mostrar el uso de este sistema en diferentes aplicaciones, los investigadores insertaron los nanocristales en células humanas vivas como una sonda biocompatible para producir imágenes de células vivas.
Cuando la luz de un color determinado brilla sobre las células y las moléculas aceptoras están presentes, las células emiten una luz de un color diferente. Cuando las moléculas aceptoras están ausentes, no se observa el cambio de color. Aunque el equipo solo demostró la utilidad de este sistema para la obtención de imágenes de células vivas hasta ahora, las propiedades mejoradas y la alta programabilidad de este material híbrido 2D los lleva a creer que esta es una de las muchas aplicaciones en que se podría utilizar.
“Aunque esta investigación aún está en sus primeras etapas, las características estructurales únicas y la alta transferencia de energía de los nanocristales 2D con peptoide POSS tienen el potencial de aplicarse a muchos sistemas diferentes, desde la energía fotovoltaica hasta la fotocatálisis”, concluye Chen. Él y sus colegas continuarán explorando vías para la aplicación de este nuevo material híbrido.
