Descubren el principio que podría hacer mucho más eficientes la fotosíntesis artificial y los semiconductores orgánicos del futuro
Hace millones de años que la naturaleza pretende resolver un problema que la ciencia aún intenta dominar: cómo convertir la luz solar en energía de forma extremadamente eficiente y ahora, un equipo de investigadores de la Universidad Sungkyunkwan (https://www.skku.edu/eng/index.do) en colaboración con la Universidad Yonsei (https://www.yonsei.ac.kr/en_sc/index.do), identificó un principio fundamental que ayuda a comprender mejor ese proceso y que podría acelerar el desarrollo de sistemas de fotosíntesis artificial, células solares orgánicas y una nueva generación de semiconductores moleculares.
El estudio, publicado en Nature Communications, no presenta un nuevo panel solar ni un dispositivo listo para comercializar, sino que explica por qué la transferencia de carga cambia de comportamiento según el entorno químico que rodea al material, una información muy valiosa para diseñar tecnologías energéticas mucho más eficientes.
Una lección tomada directamente de las plantas: cuando una planta recibe la luz del Sol, se desencadena una cadena de procesos casi instantáneos, ya que los fotones, excitan los electrones y estos deben separarse de manera rápida, para evitar que la energía se pierda en forma de calor.
Ese fenómeno, conocido como “separación de cargas”, representa uno de los pilares de la fotosíntesis natural, pero reproducirlo de manera artificial es uno de los grandes desafíos de la investigación energética porque permitiría fabricar dispositivos capaces de transformar la luz solar en combustibles limpios o electricidad con una eficiencia muy superior a la actual.
Durante años, los científicos trabajaron con materiales orgánicos como la Perileno Bisimida (PBI), una molécula conocida por su capacidad para aceptar electrones y formar estructuras muy compactas, pero cuando estas moléculas se agrupan, resulta complicado distinguir qué efectos provienen de la propia estructura y cuáles dependen del entorno que las rodea.
Un experimento diseñado para aislar un único factor: el aporte del trabajo consiste en el desarrollo una plataforma experimental que mantiene intacta la estructura molecular, mientras modifica solo la polaridad del disolvente, es decir, las propiedades eléctricas del líquido que envuelve el material, con lo que el equipo logró estudiar cómo cambia la transferencia de carga sin que aparezcan otras variables que alteren los resultados.
Para observar procesos que duran apenas unos femtosegundos, una billonésima de millonésima de segundo, los investigadores usaron espectroscopía láser ultrarrápida, complementada con cálculos de química cuántica que permitieron interpretar los fenómenos observados.
Un cambio de mecanismo completamente inesperado: uno de los descubrimientos más llamativos del estudio, es que el mecanismo de transferencia de carga cambia por completo dependiendo del entorno dieléctrico.
En medios de baja polaridad, similares al aceite, la transferencia de carga ocurre mediante un fenómeno de Tunelización Cuántica, donde los electrones atraviesan barreras energéticas gracias a efectos propios de la mecánica cuántica.
En cambio, cuando el entorno presenta una polaridad elevada, como ocurre en el agua o en determinados alcoholes, el proceso deja de depender principalmente de la tunelización y pasa a estar controlado por las fluctuaciones colectivas de las moléculas del propio disolvente y este cambio, denominado “cruce de mecanismo”, no se había demostrado antes con este nivel de claridad dentro de este tipo de agregados moleculares.
Más distancia para transportar la energía sin pérdidas: el estudio, también demuestra que el entorno puede modificar la longitud de difusión del excitón, que determina la distancia que la energía luminosa puede recorrer dentro de un semiconductor antes de disiparse y los investigadores lograron aumentar esa distancia desde 35,9 hasta 98,8 nanómetros, es decir casi el triple.
Aunque estas dimensiones parezcan diminutas, representan un avance importante en materiales orgánicos, ya que cuanto mayor sea esa distancia, más probabilidades existen de aprovechar la energía absorbida antes de que se pierda, algo esencial para mejorar el rendimiento de dispositivos fotovoltaicos y sistemas de conversión energética.
Mucho más que paneles solares: los semiconductores orgánicos, serán cada vez más importante en la electrónica flexible, las pantallas OLED, sensores ambientales, dispositivos biomédicos, componentes electrónicos ligeros y de bajo consumo, por lo que comprender cómo influye el entorno molecular permitirá diseñar materiales con propiedades ajustadas para cada aplicación concreta, pero en lugar de modificar solo la composición química, los investigadores podrán optimizar también las condiciones que rodean al material para obtener mejores prestaciones.
Esta estrategia encaja con la evolución de la electrónica orgánica, un sector que busca dispositivos fabricados con procesos menos intensivos en energía y con materiales potencialmente más sostenibles que muchos semiconductores convencionales.
Avance: la fotosíntesis artificial pretende reproducir el funcionamiento de las plantas con materiales sintéticos capaces de aprovechar la luz solar para producir combustibles como hidrógeno verde o compuestos ricos en energía a partir de agua y dióxido de carbono.
En los últimos años se produjeron avances significativos en catalizadores, materiales fotoactivos y sistemas híbridos que combinan química y nanotecnología, aunque uno de los principales obstáculos sigue siendo la eficiencia con la que los electrones se separan y se transportan antes de recombinarse.
Trabajos como el desarrollado por la Universidad Sungkyunkwan aportan precisamente el conocimiento básico necesario para resolver ese cuello de botella y aunque aún queda camino, disponer de reglas de diseño más precisas acelera el desarrollo de nuevas generaciones de materiales.
Potencial: este descubrimiento, aporta una base científica sólida para diseñar materiales capaces de aprovechar mejor cada fotón de luz y aunque no cambia por sí solo el modelo energético, aunque ayuda a construir las herramientas que podrían hacerlo posible.
A largo plazo, este conocimiento podría traducirse en paneles solares orgánicos más competitivos, dispositivos electrónicos con menor consumo energético, sensores ambientales más eficientes y tecnologías capaces de producir combustibles renovables utilizando únicamente luz solar, agua y dióxido de carbono.
Esto, no resolverá por sí solo la crisis climática, claro, pero representa uno de esos avances discretos que, acumulados con muchos otros, terminan impulsando transformaciones profundas en la transición hacia una economía baja en carbono.
Más información: Dielectric-tuned charge and exciton dynamics in perylene bisimide supramolecular aggregates | Nature Communications
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