Una nueva molécula acerca la fotosíntesis artificial a la realidad

Reemplazando la fotosíntesis natural

Directa o indirectamente, una enorme cantidad de la energía que utilizamos se ha producido mediante la fotosíntesis.

Esto, por supuesto, es cierto respecto de las calorías que alimentan nuestros cuerpos, pero en última instancia también lo es respecto de los combustibles fósiles, que son simplemente fotosíntesis “almacenada” de plantas que murieron hace eones.

Por lo tanto, muchos esfuerzos para hacer que nuestro sistema energético y alimentario sea más ecológico se han dedicado a mejorar la fotosíntesis natural o Aprovecharlo para nuevos usos, como la creación de biocombustibles a partir de algas.

Construirlo a gran escala podría resultar crucial para limitar la creciente concentración de CO2 en la atmósfera.

Pero ¿y si pudiéramos imitar el proceso de la fotosíntesis sin necesidad de organismos vivos? Al fin y al cabo, se trata de un proceso electroquímico que no requiere necesariamente células vivas. Esta es la promesa de la llamada «fotosíntesis artificial».

Elevaría nuestra capacidad de capturar la energía del sol un paso por encima de la energía fotovoltaica, que “sólo” puede crear electricidad a partir de la luz solar, pero no afectar directamente las reacciones químicas.

Se han logrado algunos avances, En particular, hacia la producción de hidrógeno similar a la fotosíntesis., pero se necesita más trabajo para lograr una réplica más cercana.

Cómo funciona la fotosíntesis en la naturaleza

En las plantas, la fotosíntesis es, a grandes rasgos, su forma más simple: el proceso de absorber CO2 y agua, usar la luz como fuente de energía y producir carbohidratos y oxígeno.

Fuente: británico

A primera vista, parece que esto puede reducirse a una ecuación química muy simple y podría replicarse artificialmente fácilmente.

Fuente: británico

Es otra historia cuando vemos cómo se hace realmente.

La fotosíntesis de las plantas es en realidad una de las maquinarias bioquímicas más complejas, con docenas de reacciones intermedias, una miríada de subcomponentes y mecanismos moleculares a veces no tan bien comprendidos que implican elaborados movimientos de electrones.

La explicación sintética de este tema en la enciclopedia Británica No tiene menos de 10,000 palabras.

Los científicos que lo estudian tienen que lidiar con esquemas mucho más complejos para poder tener una visión general de la fotosíntesis:

Fuente: Aprendizaje lumen

Aunque en la naturaleza se utiliza principalmente para crear carbohidratos, la fotosíntesis podría, en teoría, aprovecharse para muchas otras aplicaciones que utilizan la luz como fuente de energía, como, por ejemplo, la síntesis de hidrógeno a partir del agua (fotocatálisis).

Un proceso similar de movimiento de electrones e iones inducido por la luz también podría utilizarse para crear azúcares artificialmente. Esta es la idea en la que trabajan tres científicos de la Universidad de Basilea (Suiza). Publicaron recientemente en Nature Chemistry.¹ sus resultados sobre una nueva molécula que podría utilizarse para la fotosíntesis artificial, bajo el título “Acumulación de doble carga fotoinducida en un compuesto molecular.

Construcción de clorofila artificial

Moléculas de carga múltiple

La fotosíntesis natural se basa en una serie de reacciones electroquímicas. Por lo tanto, requiere un estado de carga separada (CSS), donde una molécula posee simultáneamente una carga positiva y otra negativa.

Es importante destacar que las reacciones de formación de combustible requieren múltiples electrones, no solo uno, que hasta ahora han sido los mejores sistemas de fotosíntesis artificial que se han podido lograr.

Para la reducción del CO2 en particular, la transferencia de múltiples electrones parece ser esencial, razón por la cual también la mayoría de las soluciones de fotosíntesis artificial hasta ahora se han centrado en la generación de hidrógeno.

Aquí es donde el descubrimiento de los investigadores suizos cambia las cosas, con la creación de una molécula especial que puede generar y almacenar cuatro cargas simultáneamente bajo la irradiación de luz: dos positivas y dos negativas.

Fuente: Nature

¿Cómo funciona?

La molécula contiene una parte central sensible a la luz que, en respuesta, genera un movimiento de electrones. Los investigadores adoptaron un enfoque secuencial con dos destellos de luz.

El primer destello de luz incide en la molécula y desencadena una reacción en la que se generan una carga positiva y una negativa, que se mueven hacia el extremo opuesto de la molécula.

Con el segundo destello de luz se produce de nuevo la misma reacción, de modo que la molécula pasa a contener dos cargas positivas y dos negativas.

Fuente: Nature

Sensibilidad a la luz mejorada

El paso secuencial, utilizando luz en un proceso de dos pasos, no sólo es importante para acumular una carga eléctrica doble en cada extremo de la molécula, sino también para reducir la energía requerida para cada paso, lo que le permite funcionar con una intensidad de luz menor que antes.

Fuente: Nature

“Como resultado, ya nos estamos acercando a la intensidad de la luz solar.

Las investigaciones anteriores requerían una luz láser extremadamente potente, lo que distaba mucho de la visión de la fotosíntesis artificial”.

Mathis Brändlin – Estudiante de doctorado en la Universidad de Basilea

Por qué esta molécula es un avance clave

Otra cualidad de esta nueva molécula es que conserva su carga durante un tiempo suficientemente largo para ser utilizada para impulsar otras reacciones químicas, algo imprescindible para cualquier sistema completo de fotosíntesis artificial.

“Hemos identificado e implementado una pieza importante del rompecabezas.

“Esperamos que esto nos ayude a contribuir a nuevas perspectivas para un futuro energético sostenible”.

Profe. Oliver Wenger – Universidad de Basilea

Con una retención de carga de 120 microsegundos (entre mil y un millón de veces mejor que antes), esto debería ser suficiente para las reacciones químicas, incluso si la duración ideal se midiera en segundos.

Por lo tanto, en comparación con las moléculas fotosensibles de carga única, o de un solo tipo de carga, probadas en experimentos anteriores, esta es la molécula más prometedora para el desarrollo de la fotosíntesis artificial hasta el momento.

Otros ajustes al diseño podrían mejorar su capacidad para funcionar con intensidad de luz natural o para retener las cargas eléctricas durante más tiempo.

La otra parte clave de un proceso de fotosíntesis artificial que aún está por diseñar es un pigmento con estados excitados de alta energía, así como catalizadores adecuados para proporcionar suficiente potencia redox para la división del agua o la reducción del CO2.

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Invertir en innovación sostenible

DuPont

DuPont es una gran empresa química con Muchos productos químicos de marca importantes, como Kevlar, poliestireno, Nomex (protección contra incendios), Great Stuff (adhesivo para construcción), etc. Sus marcas de investigación avanzada en polímeros y materiales de protección podrían posicionarlo para beneficiarse de las tecnologías de metamateriales de doble red.

DuPont es una corporación antigua con una historia compleja de adquisiciones y, más recientemente, una serie de escisiones.

Fuente: DuPont

Estas escisiones han separado de DuPont los departamentos de nutrición y biociencia, vendidos parcialmente a Corteva Biosciences (CTVA -0.95%), productos de titanio para formar la empresa Chemours (CC -1.05%), y movilidad.

También se separará de su negocio de productos químicos electrónicos en noviembre de 2025., pero conservará el segmento de agua (membranas y filtros para purificación y desalinización de agua), contrariamente a los planes anteriores.

Fuente: DuPont

Esto dejará a DuPont como una empresa mucho más centrada, con una actividad principal en polímeros avanzados para equipos de purificación y protección de agua, así como materiales avanzados para la industria aeroespacial, la atención médica y los vehículos eléctricos.

Fuente: DuPont

DuPont es una corporación verdaderamente internacional, con una gran demanda de productos químicos especializados para la purificación de agua y la fabricación industrial.

Los sectores a los que presta servicios los productos químicos de DuPont también son muy variados, incluyendo la construcción, la purificación de agua, la industria electrónica, la automoción, la industria aeroespacial, la salud, la energía verde y la producción industrial.

Fuente: DuPont

En cuanto a la fotosíntesis artificial, la empresa química está trabajando en la tecnología a través de asociaciones con el mundo académico, en particular con la Universidad de Pensilvania.

El objetivo de esta investigación colaborativa es desarrollar un protocolo computacional de amplia aplicación… para acelerar la selección de materiales fotoactivos que puedan dividir eficientemente el agua en hidrógeno y oxígeno.

La sólida presencia de DuPont en equipos de protección y su sólida posición con la marca Kevlar, un polímero de alto rendimiento, deberían ayudarle a adaptar nuevas formas de metamateriales a productos comerciales. Asimismo, su presencia en el sector de las energías renovables debería facilitar la comercialización de productos químicos para el futuro proceso de fotosíntesis artificial.

En cualquier caso, a medida que crecen las nuevas tecnologías y el consumo de agua, también lo hace la demanda de los productos químicos avanzados producidos por DuPont.

Últimas noticias y desarrollos de acciones de Dupont (DD)

Estudio referenciado

^{1. Brändlin, M., Pfund, B. & Wenger, OS Acumulación de doble carga fotoinducida en un compuesto molecular. NatUre. químicaistry. (2025). https://doi.org/10.1038/s41557-025-01912-x}