La energía solar podría ser colectada de manera más eficiente y transportarse a grandes distancias usando diminutos circuitos moleculares, según un estudio inspirado en nuevos conocimientos sobre la fotosíntesis natural.
La incorporación de las últimas investigaciones sobre cómo las plantas, algas y algunas bacterias utilizan la mecánica cuántica para optimizar la producción de energía a través de la fotosíntesis, ha permitido establecer que la forma de diseño molecular en "circuitos" que son 10 veces más pequeño que el más delgado de cable eléctrico de los procesadores. Publicado en Nature Chemistry, el informe analiza cómo las pequeñas redes moleculares podrían captar, dirigir, regular y amplificar la energía solar en bruto.
Profesor Gregory Scholes, autor principal de la Universidad de Toronto, señalo "la producción de combustibles solares a menudo comienza con la energía de la luz absorbida por un conjunto de moléculas”. La energía se almacena fugazmente como excitación de los electrones y luego se transfiere a un reactor adecuado.
Es lo mismo en los sistemas biológicos. En la fotosíntesis, por ejemplo, la compleja antena compuesta de clorofila captura la luz del sol y luego dirige la energía a las proteínas especiales que ayudan a producir oxígeno y azúcares. Es como conectar las proteínas (llamadas centros de reacción) aun toma corriente solar.
En los sistemas naturales de energía de la luz solar es capturada por moléculas de color llamadas dyes o pigmentadas, pero sólo se almacena una mil millonésima de segundo. Esto deja poco tiempo para dirigir su energía a partir de pigmentos de la maquinaria molecular que produce combustible o electricidad.
La clave para la transferencia y el almacenamiento de energía muy rápidamente es aprovechar el colectivo de las propiedades cuánticas de las antenas, que están formados por sólo unas pocas decenas de pigmentos.
Dr. Alexadra Olaya-Castro, co-autor del trabajo del departamento de UCL de Física y Astronomía, dijo: "En un día soleado, más de 100 millones de billones de fotones de color rojo y azul golpean una hoja en cada segundo.
En estas condiciones, las plantas necesitan para tener la capacidad para utilizar la energía que se requiere para su crecimiento y desarrollo, sino también para deshacerse del exceso de energía que puede ser perjudicial. Transferencia de energía de forma rápida y de una manera regulada son las dos principales características de los sistemas de colectar luz natural.
El asegurar que todas las escalas de energía relevantes que intervienen en el proceso de transferencia de energía son más o menos similares, las antenas naturales logran combinar los fenómenos cuánticos y clásicos para garantizar una captura eficiente y regulada, así como la distribución y almacenamiento de la energía del sol.
En resumen, lo que la naturaleza nos enseña de la concentración y distribución de energía solar con antenas nanoscópicas:
1. Los componentes básicos de la antena es eficiente si las moléculas absorben la luz. Estos absorbedores de foto energía deben estar adecuadamente distribuidos para garantizar la conversión de la energía solar a través de las antenas.
2. Agrupándolas adecuadamente se toma ventaja de las propiedades colectivas de las moléculas que absorben la luz. Esto hará que se aprovechen los principios de la mecánica cuántica para que la antena pueda: i) absorber diferentes colores ii) crear gradientes de energía para favorecer la transferencia unidireccional y iii) aprovechar la coherencia cuántica de distribución de energía, diversos trayectos de transferencia de energía puede aprovechados explotado a la vez.
3. Asegúrese de que las escalas de energía relevantes que intervienen en el proceso de transferencia de energía son más o menos resonante. Esto garantizará que los mecanismos de transferencia clásica y cuántica se combinan para crear la distribución regulada y eficiente de la energía a través de distancias cortas y de largo plazo cuando las antenas están conectadas.
4. En una antena la transferencia de energía no es tan rápida como sea posible, tan rápido como sea necesario. Esto significa que los mecanismos de regulación tienen que integrarse en la antena. Por ejemplo, si es necesario, combinar las moléculas que absorben la luz con unos pocos locales de los "sumideros" que disipan el exceso de energía dañina.
Mas información en Nature Chemistry
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