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Química

Fotosíntesis artificial

Moléculas sintetizadas en laboratorio imitan el mecanismo de producción de energía de las plantas

Láo RamosImagínense un frasco con agua donde se encuentra sumergida una placa de metal revestida con un material sintetizado en laboratorio, que produce y almacena energía en forma de gas hidrógeno simplemente al exponérselo al sol. “Estamos pensando en un mundo en el que el agua sería el combustible”, dice el químico Jackson Megiatto, de la Universidad de Campinas (Unicamp). Este dispositivo todavía no es una realidad a gran escala, pero, a juicio del investigador, ya no pertenece a la ciencia ficción. “Se está construyendo una base de conocimiento para obtener, en un futuro próximo, energía a partir del sol y del agua”. El hidrógeno es una importante fuente energética, porque además de ser eficiente, no genera contaminantes cuando se lo utiliza como combustible. Sin embargo, producirlo ha implicado un gran desafío. En colaboración con investigadores de las universidades del Estado de Arizona (ASU) y de Pensilvania, en Estados Unidos, Megiatto dio un paso hacia la solución de este problema: reprodujo en laboratorio la reacción que rompe las moléculas de agua promovida por la energía solar.

Las plantas, las algas y algunas bacterias poseen la singular capacidad de producir energía a partir del agua y de la luz solar, y lo logran gracias a un mismo proceso: la fotosíntesis, que involucra a moléculas complejas y reacciones químicas que aún no se comprenden por completo. Cuando la luz solar las activa, esas moléculas naturales tienen la capacidad de descomponer la molécula de agua, H2O, una de las más estables de la naturaleza, en sus componentes, oxígeno e hidrógeno. “La mencionada estabilidad del agua es tan firme que, cuando intentamos reproducir el proceso, nuestras moléculas se degradan antes que las del agua”, explica Megiatto.

Lo novedoso del estudio se encuentra en el diseño de las moléculas fotoactivas y de los catalizadores nanoparticulados que imitan el sistema fotosintético natural que las plantas han utilizado a lo largo de millones de años para acumular la energía que sostiene a la mayor parte de la vida en la Tierra. Los resultados fueron publicados en dos artículos en la revista PNAS, en 2012, y recientemente, también en Nature Chemistry, donde se encuentra disponible en forma online desde el 9 de febrero de este año.

Alexandre AffonsoLuego de estudiar todo lo conocido sobre fotosíntesis natural, Megiatto logró sintetizar en laboratorio moléculas más robustas, denominadas perfluoruro porfirinas, cuyo comportamiento es similar al del cofactor P680, que se encuentra en forma natural en las plantas. Para imitar la estructura proteica del sistema natural directamente involucrado en el proceso de rotura de las moléculas de agua, también fue necesario agregarle un grupo fenólico a la porfirina. “Cuando se la excita mediante la luz solar, la porfirina le roba un electrón al grupo fenol, generando una especie química con la suficiente energía como para romper las moléculas de agua”, describe el químico de la Unicamp, quien realizó el trabajo mientras se desempeñaba como investigador asociado en la ASU y en el Centro para la Producción Bioinspirada de Combustible Solar (BisFuel), que fue creado en 2009 mediante una inversión de 14 millones de dólares por el Departamento de Energía estadounidense.

El equipo monitoreó las transferencias de electrones entre la porfirina y el fenol utilizando una técnica a la que se conoce como espectroscopia de resonancia paramagnética electrónica. “La técnica detecta solamente los electrones que se encuentran libres en las moléculas, y no aquéllos que están involucrados en uniones químicas en el material”, explica Megiatto. Las respuestas registradas fueron muy similares a las que se obtienen cuando al sistema fotosintético natural se lo somete al mismo análisis, lo que marca un paralelo en el modo en que esos compuestos transportan electrones cuando se los expone a la luz solar.

“Hasta ahora, ningún material había sido capaz de transferir electrones de manera tan similar al sistema natural”, celebra el químico. Esos resultados se obtuvieron en 2011, pero antes de publicarlos, el grupo tomó la precaución de realizar pruebas exhaustivas para garantizar que podía reproducírselos, además de analizar el nuevo material utilizando otras técnicas. Salió todo bien. “El material incluso ha sido sintetizado por alumnos de la Universidad de Arizona y los resultados son siempre los mismos”, dice el investigador.

El material desarrollado por Megiatto ya se utiliza en dispositivos fotosintéticos que funcionan como pequeñas usinas a base de agua. La idea consiste en conectarlos a las células de combustible. Los test preliminares revelan, sin embargo, que el sistema aún es ineficiente para la producción de energía a gran escala. De aquí en más, serán necesarios otros estudios en laboratorio para perfeccionar el funcionamiento del sistema de producción de energía.

Al finalizar este trabajo, Megiatto se disponía a firmar un contrato como profesor en el BisFuel, pero se enteró de un concurso en el Instituto de Química de la Unicamp y optó por regresar a Brasil. Desde aquí, sigue colaborando con el grupo de Estados Unidos, mediante una investigación integrada, conferencias vía internet y, en el futuro, a través del intercambio de alumnos entre el laboratorio brasileño y el estadounidense para realizar etapas de estudio que requieran el uso de equipamientos específicos en uno de los dos países.

Su plan para el futuro incluye hallar una manera de mejorar el desempeño del material a base de porfirina, como así también la eficiencia del proceso fotoquímico, con la intención de disminuir el costo de producción de energía. La idea consiste  en lograr que las moléculas de porfirina y fenol se organicen por sí mismas como si fueran piezas de un rompecabezas, supliendo la necesidad una unión química entre una y otra. Es necesario, explica, descubrir cómo “conversar” con esas sustancias químicas dispersas en una solución: “Tú vas aquí, tú le das la mano a aquella otra molécula…”. Nuevamente, no se trata de ciencia ficción, sino que esto forma parte de una disciplina conocida como química supramolecular. “Los costos se reducirían significativamente y la eficiencia aumentaría”, vaticina el químico, para el caso en que su proyecto tenga éxito.

Lejos de hallarse aislado en la búsqueda de producción de energía sin necesidad de recurrir a combustibles fósiles, al final del mes de febrero, Megiatto recibió una invitación para exponer sobre la nueva tecnología en la Universidad de Tecnología en Delft, Holanda, y debatir alternativas futuras. También presentó la fotosíntesis artificial en el marco del encuentro multidisciplinario Fronteras de la Ciencia, que se llevó a cabo en Inglaterra, organizado en forma conjunta por la Royal Society, la FAPESP y la Academia Brasileña de Ciencias. En lo depende de la confluencia de esfuerzos, los días de la fotosíntesis como exclusividad de las plantas parecen estar contados.

Artículos científicos
MEGIATTO, J. D. et al. A bioinspired redox relay that mimics radical interactions of the Tyr-His pairs of photosystem II. Nature Chemistry. Online. 9 feb.
MEGIATTO, J. D. et al. Mimicking the electron transfer chain in photosystem II with a molecular triad thermodynamically capable of water oxidation. PNAS. v. 109, p. 15.578-583. 2012.
ZHAO, Y. et. al. Improving the efficiency of water splitting in dye-sensitized solar cells by using a biomimetic electron transfer mediator. PNAS. v. 109, p. 15.612-616. 2012.

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