{"id":7697,"date":"2017-11-14T09:45:20","date_gmt":"2017-11-14T15:45:20","guid":{"rendered":"http:\/\/otech.uaeh.edu.mx\/noti\/?p=7697"},"modified":"2017-11-14T09:45:26","modified_gmt":"2017-11-14T15:45:26","slug":"los-circuitos-sinteticos-pueden-cosechar-energia-de-la-luz","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/otech.uaeh.edu.mx\/noti\/energias-alternas\/los-circuitos-sinteticos-pueden-cosechar-energia-de-la-luz\/","title":{"rendered":"Los circuitos sint\u00e9ticos pueden cosechar energ\u00eda de la luz"},"content":{"rendered":"

Al organizar pigmentos en un andamio de ADN, un equipo de investigadores liderado por MIT ha dise\u00f1ado un material de recolecci\u00f3n de luz que imita de cerca la estructura de las estructuras fotosint\u00e9ticas naturales. Se podr\u00edan usar nuevas estructuras hechas con andamios de ADN para crear materiales con energ\u00eda solar.<\/p>\n

Al organizar pigmentos en un andamio de ADN, un equipo de investigadores liderado por MIT ha dise\u00f1ado un material de recolecci\u00f3n de luz que imita de cerca la estructura de las estructuras fotosint\u00e9ticas naturales.<\/p>\n

Los investigadores demostraron que su material sint\u00e9tico puede absorber la luz y transferir eficientemente su energ\u00eda a trav\u00e9s de v\u00edas controladas con precisi\u00f3n.\u00a0Este tipo de estructura podr\u00eda incorporarse a materiales como vidrio o textiles, lo que les permitir\u00eda cosechar o controlar la energ\u00eda entrante de la luz solar, dice Mark Bathe, profesor asociado de ingenier\u00eda biol\u00f3gica en el MIT.<\/p>\n

“Esta es la primera demostraci\u00f3n de una imitaci\u00f3n puramente sint\u00e9tica de un circuito de recolecci\u00f3n de luz natural que consiste en grupos densos de tintes que est\u00e1n organizados de manera precisa a escala nanom\u00e9trica, como se encuentra en los sistemas bacterianos”, dice Bathe.\u00a0Un nan\u00f3metro es una milmillon\u00e9sima parte de un metro, o 1 \/ 10,000 del grosor de un cabello humano.<\/p>\n

Bathe es uno de los autores principales del nuevo estudio, junto con Alan Aspuru-Guzik, profesor de qu\u00edmica y biolog\u00eda qu\u00edmica en la Universidad de Harvard, y Hao Yan, profesor de qu\u00edmica y bioqu\u00edmica en la Universidad Estatal de Arizona.\u00a0Los autores principales del art\u00edculo, que aparece en la edici\u00f3n del 13 de noviembre de\u00a0Nature Materials<\/em>\u00a0, son el ex postdoc Etienne Boulais del MIT, el estudiante graduado de Harvard Nicolas Sawaya, y el posdoctorado del MIT R\u00e9mi Veneziano.<\/p>\n

Captura de luz<\/strong><\/p>\n

Durante miles de millones de a\u00f1os, las plantas y las bacterias fotosint\u00e9ticas han desarrollado estructuras celulares eficientes para recolectar energ\u00eda del sol.\u00a0Este proceso requiere capturar fotones (paquetes de energ\u00eda de luz) y convertirlos en excitones, un tipo especial de cuasipart\u00edcula que puede transportar energ\u00eda.\u00a0La energ\u00eda de estos excitones se pasa luego a otras mol\u00e9culas en un complejo de prote\u00ednas y pigmentos conocido como centro de reacci\u00f3n, y finalmente la planta las usa para construir mol\u00e9culas de az\u00facar.<\/p>\n

Si bien los cient\u00edficos han desarrollado t\u00e9cnicas confiables para transportar electrones (como los semiconductores) y fotones (fibra \u00f3ptica), la creaci\u00f3n de formas de controlar los excitones ha demostrado ser m\u00e1s desafiante.<\/p>\n

Hace cuatro a\u00f1os, Bathe, Aspuru-Guzik y Yan comenzaron a trabajar en estructuras sint\u00e9ticas que pod\u00edan imitar los ensambles de recolecci\u00f3n de luz natural.\u00a0Estas asambleas, que generalmente se encuentran en los org\u00e1nulos celulares llamados cloroplastos, tienen una estructura intrincada que captura y transporta eficientemente la energ\u00eda solar a la escala de nan\u00f3metros.<\/p>\n

“Lo que es realmente sorprendente de la recolecci\u00f3n de luz fotosint\u00e9tica es qu\u00e9 tan bien satisface las necesidades del organismo”, dice Gabriela Schlau-Cohen, profesora asistente de qu\u00edmica del MIT, que tambi\u00e9n es autora del art\u00edculo.\u00a0“Cuando se requiere, cada fot\u00f3n absorbido puede migrar a trav\u00e9s de la red de prote\u00ednas que rodea el centro de reacci\u00f3n, para generar electricidad”.<\/p>\n

Los investigadores se propusieron imitar estas estructuras mediante la uni\u00f3n de pigmentos de recolecci\u00f3n de luz para estudiar andamios hechos de ADN.\u00a0En los \u00faltimos a\u00f1os, el laboratorio de Bathe ha ideado nuevas formas de programar el ADN para doblar en formas particulares, y el a\u00f1o pasado Bathe y sus colegas crearon una nueva herramienta de programaci\u00f3n inform\u00e1tica que automatiza el proceso de dise\u00f1o de andamios de ADN de casi cualquier forma.<\/p>\n

Para este estudio, los investigadores quer\u00edan utilizar andamios de ADN para organizar espacialmente agrupaciones densamente compactas de pigmentos similares a los encontrados en la naturaleza.\u00a0Boulais encontr\u00f3 un documento de 1977 que mostraba que un pigmento sint\u00e9tico llamado pseudoisocianina (PIC) se agrega a secuencias espec\u00edficas de ADN natural para formar el tipo de estructura que los investigadores estaban buscando, llamado un agregado de J.\u00a0Sin embargo, debido a que este enfoque us\u00f3 ADN natural, no hubo forma de controlar el espaciado, el tama\u00f1o o la organizaci\u00f3n espacial tridimensional de los conglomerados.<\/p>\n

Veneziano prob\u00f3 la capacidad de los investigadores de moldear estos agregados J en cl\u00fasteres discretos con distintas organizaciones bidimensionales que utilizan ADN sint\u00e9tico, y Boulais y Sawaya trabajaron para dise\u00f1ar computacionalmente andamios de ADN sint\u00e9ticos personalizables que organicen estos agregados en circuitos que absorban fotones y transporten el ADN. excitones resultantes a lo largo de un camino predecible.\u00a0Mediante la programaci\u00f3n de secuencias de ADN espec\u00edficas, los investigadores pueden controlar la ubicaci\u00f3n precisa y la densidad de los grupos de mol\u00e9culas de colorante, que se sientan en un andamio r\u00edgido de ADN de doble cadena.\u00a0Modelaron computacionalmente c\u00f3mo factores tales como el n\u00famero de mol\u00e9culas de colorante, su orientaci\u00f3n y las distancias entre ellos afectar\u00edan la eficiencia de los circuitos resultantes, analizando muchas versiones de los circuitos para determinar su eficiencia en la transferencia de energ\u00eda.<\/p>\n

“Los organismos fotosint\u00e9ticos organizan sus mol\u00e9culas recolectoras de luz con precisi\u00f3n utilizando un andamio de prote\u00edna.\u00a0Hasta ahora, este tipo de control estructural ha sido dif\u00edcil de realizar en sistemas sint\u00e9ticos.\u00a0Parece que el origami de ADN proporciona un medio de imitar muchos de los principios de los complejos fotosint\u00e9ticos de recolecci\u00f3n de luz “, dice Gregory Scholes, profesor de qu\u00edmica en la Universidad de Princeton que no particip\u00f3 en el estudio.<\/p>\n

Parte del equipo de ASU, dirigido por el coautor Su Lin, realiz\u00f3 una serie de mediciones espectrosc\u00f3picas para demostrar que las estructuras de ADN dise\u00f1adas produc\u00edan los agregados J deseados y para caracterizar sus propiedades fotof\u00edsicas.\u00a0Schlau-Cohen, que utiliza t\u00e9cnicas avanzadas de espectroscopia para analizar los sistemas de recolecci\u00f3n de luz, tanto naturales como sint\u00e9ticos, demostr\u00f3 que estos conjuntos de pigmentos densos pod\u00edan absorber eficientemente la energ\u00eda de la luz y transportarla a lo largo de rutas espec\u00edficas.<\/p>\n

“Demostramos la capacidad de controlar los patrones de tr\u00e1fico utilizando colorantes agregados J, no solo qu\u00e9 tan lejos pueden viajar los excitones.\u00a0Eso es importante porque ofrece versatilidad en el dise\u00f1o de dichos circuitos para materiales funcionales “, dice Bathe.<\/p>\n

“El dise\u00f1o de abajo hacia arriba de los sistemas excit\u00f3nicos ha sido un objetivo espec\u00edfico de nuestro Energy Frontiers Research Center (EFRC).\u00a0Me alegra ver un trampol\u00edn importante para demostrar el control de abajo hacia arriba del flujo de excitones “, dice Aspuru-Guzik.\u00a0Agrega que “se requer\u00eda una investigaci\u00f3n multidisciplinaria que vincule estrechamente la s\u00edntesis, la teor\u00eda y la caracterizaci\u00f3n para llegar a este punto”.<\/p>\n

Nuevos materiales<\/strong><\/p>\n

Los investigadores creen que estas estructuras sint\u00e9ticas podr\u00edan integrarse en materiales bidimensionales y tridimensionales, como vidrio o textiles, d\u00e1ndoles a esos materiales la capacidad de absorber la luz solar y convertirla en otras formas de energ\u00eda, como la electricidad, o almacenar o aprovechar la energ\u00eda.\u00a0Las estructuras tambi\u00e9n podr\u00edan formar una nueva base para las computadoras cu\u00e1nticas, implementadas a nanoescala, usando circuitos excit\u00f3nicos como compuertas l\u00f3gicas cu\u00e1nticas.<\/p>\n

Los investigadores ahora planean explorar maneras de mejorar a\u00fan m\u00e1s estos sistemas sint\u00e9ticos de recolecci\u00f3n de luz, incluyendo la b\u00fasqueda de pigmentos m\u00e1s eficientes, que pueden encontrarse en la recientemente anunciada Biblioteca Max Weaver Dye en la Universidad Estatal de Carolina del Norte, que alberga 98,000 tintes \u00fanicos.<\/p>\n

“Todav\u00eda hay muchas maneras en que podemos imaginar mejorar esto”, dice Schlau-Cohen.\u00a0“Tenemos la capacidad de controlar los par\u00e1metros moleculares individuales para explorar las cuestiones b\u00e1sicas de la ciencia sobre c\u00f3mo podemos transportar la energ\u00eda de manera eficiente en un material desordenado”. Schlau-Cohen es tambi\u00e9n el autor principal de una publicaci\u00f3n complementaria que se publicar\u00e1 en el\u00a0Journal of Physical Cartas de Qu\u00edmica la<\/em>pr\u00f3xima semana.<\/p>\n

Otros autores del art\u00edculo de\u00a0Nature Materials<\/em>\u00a0son los postdocs del MIT James Banal y Toru Kondo, quienes dirigieron el\u00a0peri\u00f3dico Journal of Physical Chemistry Letters<\/em>\u00a0;\u00a0el ex postdoc de ASU Alessio Andreoni;\u00a0ASU postdoc Sarthak Mandal;\u00a0Profesor de Investigaci\u00f3n Senior de ASU, Su Lin;\u00a0y el profesor de ASU Neal Woodbury.<\/p>\n

La investigaci\u00f3n fue financiada por la Iniciativa de Investigaci\u00f3n Universitaria Multidisciplinaria del Departamento de Defensa de EE. UU., El Departamento de Energ\u00eda de EE. UU. A trav\u00e9s del Centro de Excitaci\u00f3n de MIT, la Oficina de Investigaci\u00f3n Naval, una Beca de Ciencia e Ingenier\u00eda de Smith Family, y el Consejo de Investigaci\u00f3n de Ciencias Naturales e Ingenier\u00eda de Canad\u00e1.<\/p>\n

Fuente:<\/strong> MIT<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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