(Nanowerk Highlight) Una hoja transparente se dobla hacia la luz photo voltaic, su superficie brilla mientras divide el agua en hidrógeno y flamable de oxígeno. Esta no es una planta pure: es un dispositivo de fotosíntesis synthetic que se mueve y se adapta como el follaje vivo, marcando un cambio en cómo podríamos aprovechar la energía photo voltaic para la producción de flamable.
El desafío de capturar la luz photo voltaic de manera eficiente ha persistido desde los primeros experimentos con fotosíntesis synthetic en 1912, cuando el químico italiano Giacomo Ciamician propuso por primera vez el uso de energía photo voltaic para impulsar reacciones químicas (Ciencia, «La fotoquímica del futuro»).
Si bien surgieron avances significativos, en specific la demostración de Fujishima y Honda en 1972 de la división de agua a base de semiconductores (Naturaleza, «Fotólisis electroquímica del agua en un electrodo semiconductor») y el desarrollo de Nocera en 2012 de la primera hoja synthetic basada en silicio (Cuentas de la investigación química, «La hoja synthetic»), estos sistemas permanecieron estáticos, su efectividad disminuyó cada vez que la luz photo voltaic los golpeaba en ángulo. Los sistemas tradicionales de seguimiento photo voltaic intentan resolver esto a través de motores y computadoras, pero estos agregan complejidad, costo y sus propias demandas de energía.
Mientras tanto, las plantas acuáticas dominaron el arte del seguimiento photo voltaic a través de elegantes mecanismos biológicos. Especies como Micrántemo glomeratum Sense la dirección de la luz y ajuste sus hojas en consecuencia, manteniendo una captura de energía óptima a medida que se mueve el sol. Sus células protegen la delicada maquinaria fotosintética al tiempo que permiten un intercambio eficiente de gasoline y agua, todas coordinadas a través de estructuras de soporte flexibles que permiten un movimiento preciso.
Ahora, los investigadores de múltiples universidades chinas han creado una hoja synthetic que imita estas adaptaciones naturales. Su dispositivo combina electrodos flexibles con energía photo voltaic con un recubrimiento de gel protector y una nueva estructura de soporte hecha de nanotubos de carbono incrustado en un polímero smart a la temperatura. Cuando la luz photo voltaic golpea el soporte, los nanotubos se calientan localmente, lo que hace que el polímero se contraiga en el lado iluminado mientras permanece expandido en el lado sombreado. Esto crea un movimiento de flexión que alinea automáticamente la hoja synthetic hacia fuentes de luz.
Los resultados, informados en Materiales funcionales avanzados («Fotosíntesis synthetic fototrópica inspirada en la naturaleza»), muestran mejoras dramáticas sobre los sistemas rígidos convencionales. En un ángulo de luz de 45 grados, el dispositivo adaptativo mantiene una eficiencia de división de agua 47% más alta que las alternativas fijas. Cuando la luz golpea desde ángulos extremos de 90 grados, condiciones que generalmente paralizan dispositivos solares, el sistema de seguimiento produce 866% más de flamable de hidrógeno y oxígeno.
Para lograr esto, los investigadores desarrollaron nuevas técnicas de fabricación para depositar materiales fotoactivos en plástico ligero en lugar de vidrio. Diseñaron un transparente hidrogel recubrimiento que protege los componentes sensibles, imitando el papel del citoplasma en las células vegetales, al tiempo que permite el acceso eficiente del agua y la liberación de gasoline. El fotoanodo, que divide el agua en oxígeno, protones y electrones, retiene el 73% de su actividad después de 65 horas de operación continua cuando está protegido por este recubrimiento, mientras que el fotocatodo retiene el 32% de su actividad inicial durante el mismo período.
La capacidad de seguimiento autopotente del dispositivo elimina la necesidad de motores o controles externos. Su liviana construcción y compatibilidad con agua se adaptan a ambientes acuosos donde fallarían los paneles solares tradicionales o las hojas artificiales. Los investigadores demostraron una producción estable de hidrógeno y oxígeno a través de la división completa del agua, con los productos que evolucionan por separado en los dos electrodos del dispositivo.
Quedan varios desafíos antes de la implementación práctica. La estructura de soporte receptiva muestra cierta disminución del rendimiento en múltiples ciclos de seguimiento, con un tiempo de respuesta creciente. El equipo señala que las condiciones del mundo actual que involucran corrientes de viento y agua podrían afectar el movimiento y la eficiencia del dispositivo. Sin embargo, la innovación central, creando un sistema de fotosíntesis synthetic versatile que rastrea de forma autónoma fuentes de luz, demuestra cómo las soluciones de imitación de la naturaleza pueden superar las barreras técnicas persistentes.
El trabajo avanza el campo de la fotosíntesis synthetic al abordar el problema elementary de la dependencia angular en la captura de energía photo voltaic. Al incorporar el movimiento y la adaptación en el diseño básico en lugar de agregar sistemas de seguimiento externos, apunta a enfoques más simples y más eficientes para la producción de combustibles solares.
Por
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry:
Nano-sociedad: empujar los límites de la tecnología,
Nanotecnología: el futuro es pequeñoy
Nanoingeniería: las habilidades y herramientas que hacen la tecnología invisible
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