Los investigadores suelen considerar la fotosíntesis (el proceso que convierte la luz solar en energía química en plantas y bacterias) como modelo de innovación. La fotosíntesis implica pigmentos de clorofila, pequeñas moléculas verdes que desempeñan un papel importante en la captación de luz. Naturalmente, estas moléculas de clorofila están organizadas en estructuras específicas para optimizar la absorción de luz en plantas y bacterias y capturar eficientemente la luz solar para obtener energía. Inspirándose en estas estructuras naturales, los científicos han explorado formas de ensamblar sintéticamente estructuras a base de clorofila para aplicaciones en optoelectrónica y energía renovable.
Un estudio reciente dirigido por el profesor Shiki Yagai y el Sr. Ryo Kudo de la Escuela de Graduados en Ingeniería de la Universidad de Chiba en Japón, junto con un equipo de investigadores, proporciona información sobre cómo las moléculas modificadoras como la clorofila pueden dirigirlas para formar disposiciones estructurales únicas. que puede convertir materiales sintéticos captadores de luz. El estudio fue publicado en el Volumen 11, Número 22. Fronteras de la química orgánica El 08 de octubre de 2024.
“Las bacterias fotosintéticas utilizan conjuntos de clorofila altamente organizados, por lo que pueden capturar la luz incluso en condiciones de poca luz. Nuestro objetivo es recrear estas estructuras basadas en diseños moleculares sintéticos idénticos, ya que la comparación de sus propiedades fotofísicas puede ayudarnos a comprender por qué se seleccionan tales estructuras. “Se hizo… la forma de evolución de la naturaleza”, explica el profesor Yagai. Para crear estas estructuras, el equipo modificó la molécula de clorofila uniendo una unidad de ácido barbitúrico a través de enlaces de hidrógeno y agregó estructuras moleculares en forma de árbol llamadas “dendros” para formar anillos estables en forma de roseta y controlar su apilamiento jerárquico.
Cuando la clorofila modificada se disuelve en diferentes disolventes, las rosetas de clorofila exhiben un comportamiento notable. En disolventes no polares como el metilciclohexano, los derivados de clorofila con pequeños dendrones de segunda generación se apilaban en fibras helicoidales, mientras que los dendrones más voluminosos de tercera generación permanecían en pequeños agregados en forma de disco. De este modo, pueden ensamblar moléculas de clorofila en dos formas diferentes, a saber, pilas columnares y agregados discretos, imitando las disposiciones circulares y cilíndricas que se observan en las bacterias fotosintéticas. Por el contrario, cuando se disuelven en cloroformo, ambos derivados de la clorofila forman un patrón de roseta.
Utilizando técnicas de imagen avanzadas como la microscopía de fuerza atómica, la microscopía electrónica de transmisión y la dispersión de rayos X de ángulo pequeño, el equipo identificó el tamaño único y los patrones de disposición de estos conjuntos de clorofila sintética. Descubrieron que las fibras helicoidales formadas por las clorofilas dendron de segunda generación mostraban una estructura altamente ordenada, mientras que las clorofilas dendron de tercera generación mostraban una forma esférica más homogénea.
“Nuestros hallazgos muestran que ajustes sutiles en el diseño molecular pueden dar lugar a diferencias significativas en la estructura agregada final de la clorofila, que pueden aprovecharse para crear materiales con propiedades de fotocosecha específicas”, comenta el profesor Yagai. “Estos conocimientos sobre el control del autoensamblaje molecular podrían generar avances en la ciencia de los materiales funcionales. Estamos entusiasmados con la perspectiva de crear materiales que no sólo imiten sino que superen las capacidades de los sistemas fotosintéticos naturales”.
Por tanto, la investigación abre un enorme potencial para sintetizar materiales captadores de luz ajustando con precisión el ensamblaje de estructuras similares a la clorofila. En particular, el equipo del profesor Yagai aspira a crear materiales que puedan imitar e incluso superar a los materiales naturales tanto en eficiencia como en adaptabilidad. Con aplicaciones prometedoras en la recolección de energía solar, sensores avanzados y otras tecnologías que dependen de la absorción de luz y la transferencia de energía precisas, estas innovaciones podrían potencialmente revolucionar el campo y redefinir las posibilidades de la energía sostenible y más allá.