Químicos crean un sistema de «fotosíntesis artificial» diez veces más eficiente que los sistemas existentes

Durante los últimos dos siglos, los seres humanos han dependido de los combustibles fósiles para obtener energía concentrada; Cientos de millones de años de fotosíntesis empaquetados en una sustancia conveniente y densa en energía. Pero ese suministro es finito, y el consumo de combustibles fósiles tiene un tremendo impacto negativo en el clima de la Tierra.

«El mayor desafío que muchas personas no se dan cuenta es que incluso la naturaleza no tiene solución para la cantidad de energía que usamos», dijo el químico de la Universidad de Chicago Wenbin Lin. Ni siquiera la fotosíntesis es tan buena, dijo: «Tendremos que hacerlo mejor que la naturaleza, y eso da miedo».

Una posible opción que los científicos están explorando es la «fotosíntesis artificial»: reelaborar el sistema de una planta para producir nuestros propios tipos de combustibles. Sin embargo, el equipo químico en una sola hoja es increíblemente complejo y no es tan fácil de recurrir a nuestros propios fines.

Un estudio de Nature Catalysis de seis químicos de la Universidad de Chicago muestra un nuevo sistema innovador para la fotosíntesis artificial que es más productivo que los sistemas artificiales anteriores en un orden de magnitud. A diferencia de la fotosíntesis regular, que produce carbohidratos a partir del dióxido de carbono y el agua, la fotosíntesis artificial podría producir etanol, metano u otros combustibles.

Aunque tiene un largo camino por recorrer antes de que pueda convertirse en una forma de alimentar su automóvil todos los días, el método brinda a los científicos una nueva dirección para explorar, y puede ser útil a corto plazo para la producción de otros productos químicos.

«Esta es una gran mejora en los sistemas existentes, pero igual de importante, pudimos establecer una comprensión muy clara de cómo funciona este sistema artificial a nivel molecular, lo que no se ha logrado antes», dijo Lin, quien es profesor James Franck de Química en la Universidad de Chicago y autor principal del estudio.

‘Necesitaremos algo más’

«Sin la fotosíntesis natural, no estaríamos aquí. Produjo el oxígeno que respiramos en la Tierra y produce los alimentos que comemos», dijo Lin. «Pero nunca será lo suficientemente eficiente como para suministrar combustible para que podamos conducir automóviles; Así que necesitaremos algo más».

El problema es que la fotosíntesis está construida para crear carbohidratos, que son excelentes para alimentarnos, pero no nuestros automóviles, que necesitan mucha más energía concentrada. Por lo tanto, los investigadores que buscan crear alternativas a los combustibles fósiles tienen que rediseñar el proceso para crear combustibles más densos en energía, como el etanol o el metano.

En la naturaleza, la fotosíntesis es realizada por varios ensamblajes muy complejos de proteínas y pigmentos. Toman agua y dióxido de carbono, separan las moléculas y reorganizan los átomos para producir carbohidratos, una larga cadena de compuestos de hidrógeno, oxígeno y carbono. Los científicos, sin embargo, necesitan reelaborar las reacciones para producir una disposición diferente con solo hidrógeno que rodea un núcleo de carbono jugoso: CH4, también conocido como metano.

Esta reingeniería es mucho más complicada de lo que parece; La gente ha estado jugando con él durante décadas, tratando de acercarse a la eficiencia de la naturaleza.

Lin y su equipo de laboratorio pensaron que podrían intentar agregar algo que los sistemas de fotosíntesis artificial hasta la fecha no han incluido: aminoácidos.

El equipo comenzó con un tipo de material llamado marco metal-orgánico o MOF, una clase de compuestos formados por iones metálicos unidos por moléculas de enlace orgánico. Luego diseñaron los MOF como una sola capa, con el fin de proporcionar el área de superficie máxima para las reacciones químicas, y sumergieron todo en una solución que incluía un compuesto de cobalto para transportar electrones. Finalmente, agregaron aminoácidos a los MOF y experimentaron para descubrir cuál funcionaba mejor.

Pudieron hacer mejoras en ambas mitades de la reacción: el proceso que rompe el agua y el que agrega electrones y protones al dióxido de carbono. En ambos casos, los aminoácidos ayudaron a que la reacción fuera más eficiente.

Sin embargo, incluso con el rendimiento significativamente mejorado, la fotosíntesis artificial tiene un largo camino por recorrer antes de que pueda producir suficiente combustible para ser relevante para un uso generalizado. «Donde estamos ahora, necesitaría escalar en muchos órdenes de magnitud para producir una cantidad suficiente de metano para nuestro consumo», dijo Lin.

El avance también podría aplicarse ampliamente a otrasreacciones químicas; Es necesario hacer mucho combustible para que tenga un impacto, pero cantidades mucho más pequeñas de algunas moléculas, como los materiales de partida para fabricar medicamentos farmacéuticos y nylons, entre otros, podrían ser muy útiles.

«Muchos de estos procesos fundamentales son los mismos», dijo Lin. «Si desarrollas buenas químicas, se pueden conectar a muchos sistemas».