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Química

Un puente de electrones

La utilización del grafeno duplica la producción de electricidad en biocélulas de combustible

072-073_Grafeno na celula_224El grafeno puede duplicar la producción de energía eléctrica en biocélulas de combustible. Así lo demostró un grupo de científicos del Instituto de Química de São Carlos (IQSC) de la Universidad de São Paulo (USP) y de la Universidad Federal del ABC (Ufabc), con sede en la localidad de Santo André, en la Región Metropolitana de São Paulo. El descubrimiento de este material, caracterizado como una lámina carbono con espesor atómica y poseedor de propiedades eléctricas, mecánicas y ópticas, se concretó en 2004 y estuvo a cargo de Andre Geim y Konstantin Novoselov, de la Universidad de Manchester, en Inglaterra. Aparte de redituarles el Premio Nobel de Física a ambos investigadores por los experimentos realizados, disparó una carrera mundial por su utilización.

Los científicos brasileños, bajo el liderazgo del profesor Frank Crespilho, del IQSC-USP, mostraron en el artículo estampado en la portada de la edición de septiembre de la revista Physical Chemistry Chemical Physics que las hojas de óxido de grafeno dentro de fibras flexibles de carbono facilitan la transferencia de electrones en biocélulas de combustible, dispositivos que convierten energía química en energía eléctrica con la ayuda de enzimas, y pueden valerse, en calidad de combustible, por ejemplo, de la glucosa existente en la sangre para suministrarle electricidad a marcapasos o a dispensadores subcutáneos de medicamentos. Las biocélulas constituyen una fuente de energía alternativa que aún se restringe a los laboratorios. Las desarrolladas en São Carlos son similares a baterías y poseen dos electrodos de fibra de carbono flexible: el cátodo, que es el polo positivo, y el ánodo, el negativo. Y constituyen una de las más recientes novedades en estudios que se ubican en el campo de las fuentes energéticas. Una de las opciones de combustible para ese dispositivo apunta al uso del guarapo, el jugo de la caña repleto de azúcares.

fibra flexible de carbono utilizada en los electrodos

Frank crespilho/ USPFibra flexible de carbono utilizada en los electrodosFrank crespilho/ USP

Las biocélulas pueden tener un tamaño microscópico o ser más grandes, del tamaño de pequeñas cajas plásticas que pueden recibir el guarapo para generar electricidad y recargar baterías de celulares, tablets o incluso notebooks. Una célula puede suministrar una tensión eléctrica algo mayor que 1,0 voltio (una pila del tipo AA, por ejemplo, tiene 1,5 voltios). El grupo de Crespilho trabaja con esos equipos desde 2010 (lea en Pesquisa FAPESP, ediciones 182 y 205). Pensando en mejorar el desempeño eléctrico de esos dispositivos, los investigadores colocaron hojas de óxido de grafeno entre el electrodo y la enzima glucosa oxidasa. De este modo, la transferencia de electrones a la célula aumentó al menos dos veces, lo que representa el doble de producción de electricidad.

El proceso de liberación de electrones sucede debido a la oxidación de la glucosa, que ocurre en la superficie del ánodo, donde ubica la enzima glucosa oxidasa producida a partir del hongo Aspergillus niger. De este modo, los electrones se trasladan a la superficie del electrodo de la biocélula que los utiliza como electricidad. Ese flujo de electrones pasa a otro electrodo, el cátodo, donde se reduce el oxígeno. El proceso conocido como oxirreducción se refiere a la oxidación (pérdida de electrones) de la glucosa y a la reducción (ganancia de electrones) del oxígeno, ambos disueltos en la sangre.

La presencia del grafeno se transforma en una especie de puente al disminuir la distancia existente entre el centro de la enzima y la superficie de los electrodos de carbono, lo cual facilita el paso de los electrones. “Hemos demostrado que funciona mejor que los nanotubos de carbono, pues aprovecha mejor las propiedades de la enzima. Recientes estudios demostraron también que los nanotubos pueden degradar la glucosa oxidasa, cosa que no sucede cuando empleamos grafeno”, dice Crespilho, quien actualmente pasa un período como profesor visitante en el Instituto de Tecnología de California (Caltech). “Estoy en un proyecto que apunta a entender de qué modo el ADN y otras biomoléculas, tales como las proteínas, interactúan con la superficie de otros materiales en lo que hace a la transferencia de carga eléctrica”, comenta. “La idea es fortalecer el área en São Carlos y aplicar esos conocimientos en el futuro a la bioelectrónica molecular.”

La fibra de carbono es exfoliada para la producción

Frank crespilho/ USPLa fibra de carbono es exfoliada para la producciónFrank crespilho/ USP

Infraestructura de Alemania
Aparte del óxido de grafeno en fibras flexibles, Crespilho aguarda la construcción de una biocélula de combustible con hojas individuales de grafeno que un alumno suyo del IQSC está montando en el Instituto Max Planck, en Alemania. “Será la biocélula más fina construida hasta ahora”, dice Crespilho. “Todavía no tenemos en Brasil toda la infraestructura como para producir ese dispositivo, que tendrá dos electrodos del espesor de menos de un nanómetro (equivalente a la millonésima parte de un milímetro)”, dice. Por eso el doctorando Rodrigo Iost, con beca de la FAPESP, intentará montar en lo que resta de este año esa nueva biocélula. “El año pasado nos aprobaron un proyecto temático [financiado por la FAPESP durante cuatro años] bajo la coordinación del profesor Osvaldo Novais, del Instituto de Física de São Carlos (IFSC) de la USP. Ese proyecto va a mejorar nuestra infraestructura y permitirá la producción de nuevos filmes nanoestructurados para aplicaciones biológicas. Entonces sí podremos construir los biodispositivos y los aplicaremos no sólo en biocélulas, sino también en aparatos bioelectrónicos implantables”, dice Crespilho. El proyecto en bioelectrónica molecular desarrollado por el grupo está también vinculado al Instituto Nacional de Electrónica Orgánica (Ineo-INCT), con sede en el IFSC, en São Carlos.

Proyectos
1.
Interacción entre biomoléculas y sistemas celulares con nanoestructuras OD, 1D y 2D utilizando métodos electroquímicos (nº 2009/ 15558-1); Modalidad Ayuda a la Investigación – Regular; Investigador responsable Frank Crespilho (USP); Inversión R$ 92.262,80 y US$ 50.821,57 (FAPESP).
2. Estudio Bioelectroquímico de enzimas oxidorreductasas inmovilizadas en nanomateriales tipo 1D y 2D (nº 2013/ 15433-0); Modalidad Beca en el Exterior – Regular – Pasantía de Investigación – Doctorado; Investigador Responsable Frank Crespilho (USP); Becario Rodrigo Iost (USP); Inversión R$ 93.415,01 (FAPESP).
3. Filmes nanoestructurados de materiales de interés biológico (nº 2013/ 14262-7); Modalidad Proyecto Temático; Investigador Responsable Osvaldo Novais (USP); Inversión R$ 1.150.950,14 (FAPESP).

Artículo científico
MARTINS, M.V. A. et al. Evidence of short-range electron transfer of a redox enzyme on graphene oxide electrodes. Physical Chemistry Chemical Physics. v. 16 n. 33 p. 17349–18044. set. 2014.

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