Durante los últimos dos siglos, los 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.
por Louise Lerner, Universidad de Chicago
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 del que muchas personas no se dan cuenta es que incluso la naturaleza no tiene solución para la cantidad de energía que usamos», dijo Wenbin Lin, químico de la Universidad de Chicago. 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 tan fácil de utilizar para 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 de dióxido de carbono y 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 con respecto a los sistemas existentes, pero lo que es más importante, pudimos establecer una comprensión muy clara de cómo funciona este sistema artificial a nivel molecular , algo que no se había logrado antes», dijo Lin, quien es el James Franck Profesor 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 suministrarnos combustible para conducir automóviles, por lo que necesitaremos algo más».
El problema es que la fotosíntesis está diseñada para crear carbohidratos, que son excelentes para alimentarnos a nosotros, pero no a nuestros automóviles, que necesitan energía mucho más concentrada. Por lo tanto, los investigadores que buscan crear alternativas a los combustibles fósiles deben 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. Absorben agua y dióxido de carbono, rompen 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 un arreglo diferente con solo hidrógeno rodeando un jugoso núcleo de carbono: CH 4 , 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 orgánico de metal o MOF, una clase de compuestos formados por iones metálicos unidos por moléculas orgánicas de enlace. 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 realizar mejoras en ambas mitades de la reacción: el proceso que descompone 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, sería necesario aumentar en muchos órdenes de magnitud para producir una cantidad suficiente de metano para nuestro consumo», dijo Lin.
El avance también podría aplicarse ampliamente a otras reacciones químicas ; se necesita producir mucho combustible para que tenga un impacto, pero cantidades mucho más pequeñas de algunas moléculas, como los materiales de partida para fabricar fármacos y nailon, entre otros, podrían ser muy útiles.
«Muchos de estos procesos fundamentales son los mismos», dijo Lin. «Si desarrollas buenos productos químicos, se pueden conectar a muchos sistemas».
Más información: Guangxu Lan et al, Sitios activos biomiméticos en marcos orgánicos de metal monocapa para la fotosíntesis artificial, Nature Catalysis (2022). DOI: 10.1038/s41929-022-00865-5
