Los investigadores de la Universidad de Linköping han desarrollado una molécula que absorbe la energía de la luz solar y la almacena en enlaces químicos. Un posible uso a largo plazo de la molécula es capturar la energía solar de manera eficiente y almacenarla para su posterior consumo.
La Tierra recibe muchas veces más energía del sol de la que podemos usar los humanos. Esta energía es absorbida por las instalaciones de energía solar, pero uno de los retos de la energía solar es almacenarla eficientemente, de tal manera que la energía esté disponible cuando el sol no brille. Esto llevó a los científicos de la Universidad de Linköping (Linköping University, LiU, por sus siglas en inglés) a investigar la posibilidad de capturar y almacenar la energía solar en una nueva molécula.
«Nuestra molécula puede adoptar dos formas diferentes: una forma original que puede absorber la energía de la luz solar, y una forma alternativa en la que la estructura de la forma original ha cambiado y se ha vuelto mucho más rica en energía, mientras permanece estable. Esto hace posible almacenar la energía de la luz solar en la molécula de forma eficiente», dice Bo Durbeej, profesor de física computacional en el Departamento de Física, Química y Biología de la Universidad de Linköping, y líder del estudio.
La molécula pertenece a un grupo conocido como «molecular photoswitches«. Estos siempre están disponibles en dos formas diferentes, los isómeros, que difieren en sus estructuras químicas. Las dos formas tienen propiedades diferentes, y en el caso de la molécula desarrollada por los investigadores de LiU, esta diferencia está en el contenido de energía.
Figura 1. Bo Durbeej. Foto cortesía de Linköping University.
Las estructuras químicas de todos los fotoconmutadores -photoswitches- están influenciadas por la energía luminica. Esto significa que la estructura, y por lo tanto las propiedades, de un fotoconmutador pueden ser cambiadas iluminándolo. Un posible campo de aplicación de los fotoconmutadores es la electrónica molecular, en la que las dos formas de la molécula tienen diferentes conductividades eléctricas.
Otra área es la fotofarmacología, en la que una forma de la molécula es farmacológicamente activa y puede unirse a una proteína específica del cuerpo, mientras que la otra forma está inactiva.
Es común en la investigación que los experimentos se hagan primero y que el trabajo teórico confirme posteriormente los resultados experimentales, pero en este caso el procedimiento se invirtió. Bo Durbeej y su grupo trabajan en química teórica, y realizan cálculos y simulaciones de reacciones químicas.
Se trata de simulaciones informáticas avanzadas, que se realizan en superordenadores en el Centro Nacional de Supercomputación, (National Supercomputer Centre, NSC, por sus siglas en inglés) en Linköping.
Los cálculos mostraron que la molécula que los investigadores habían desarrollado se sometería a la reacción química que requerían, y que ésta tendría lugar con extrema rapidez, en un plazo de 200 femtosegundos. Sus colegas del Centro de Investigación de Ciencias Naturales de Hungría pudieron entonces construir la molécula y realizar experimentos que confirmaron la predicción teórica.
Con el fin de almacenar grandes cantidades de energía solar en la molécula, los investigadores han tratado de hacer que la diferencia de energía entre los dos isómeros sea lo más grande posible. La forma original de la molécula es extremadamente estable, una propiedad que dentro de la química orgánica se denota diciendo que la molécula es «aromática».
La molécula básica consiste en tres anillos, cada uno de los cuales es aromático. Sin embargo, cuando absorbe la luz, la aromaticidad se pierde, de tal manera que la molécula se vuelve mucho más rica en energía. Los investigadores de la LiU muestran en su estudio, publicado en el Journal of the American Chemical Society, que el concepto de cambio entre los estados aromáticos y no aromáticos de una molécula tiene un gran potencial en el campo de los fotoconmutadores moleculares.
«La mayoría de las reacciones químicas comienzan en un estado en el que una molécula tiene una alta energía y posteriormente pasa a una con una baja energía. Aquí hacemos lo contrario: una molécula de baja energía se convierte en una de alta energía. Esperábamos que esto fuera difícil, pero hemos demostrado que es posible que tal reacción tenga lugar tanto rápida como eficientemente», dice Bo Durbeej.
Los investigadores examinarán ahora la mejor manera de cómo la energía almacenada puede ser liberada.
La investigación ha recibido el apoyo financiero de la Fundación Olle Engkvist, el Consejo Sueco de Investigación, la Academia Húngara de Ciencias y la Oficina Nacional de Investigación, Desarrollo e Innovación de Hungría. El Centro Nacional de Supercomputación, NSC, proporcionó generosamente tiempo de computación.
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