Los químicos de la Universidad de Würzburg han combinado diferentes moléculas de tinte en agregados y, por lo tanto, han observado propiedades sorprendentes. Su descubrimiento puede ayudar a utilizar la luz solar de manera más eficiente para la generación de energía.
Las plantas usan acumulaciones de moléculas de tinte, los llamados complejos de captación de luz, para capturar la luz solar y convertir el agua H 2 O y dióxido de carbono CO 2 a compuestos orgánicos ricos en energía y oxígeno O 2 a través de la fotosíntesis.Para esto, tienen que transportar la energía obtenida por la absorción de luz sobre numerosas moléculas de tinte a los centros de reacción fotosintéticos.Las unidades de colorantes individuales, los llamados cromóforos, se mantienen muy cerca de la cubierta proteica circundante para garantizar una transferencia de energía eficiente.
Dos bolas unidas por un resorte
Las propiedades de absorción óptica de los complejos de captación de luz difieren significativamente de las de las moléculas de tinte individuales. Esto se debe al llamado acoplamiento de excitón entre las moléculas de tinte. El acoplamiento se puede visualizar mediante dos bolas colgando de hilos unidospor un resorte. Si una bola se mueve desde su posición de reposo, la segunda bola también se verá influenciada. A nivel molecular, el desplazamiento de la bola corresponde a la excitación de una molécula a través de la absorción de luz.
Este fenómeno se entiende bien para sistemas que comprenden moléculas de tinte similares homo-agregados mientras que se sabe poco sobre el acoplamiento entre diferentes cromóforos. Actualmente, las nuevas ideas provienen del grupo del profesor Frank Würthner, presidente de Organische Chemie II en la Universidad de Würzburgy director del Centro de Química de Nanosistemas. La revista multidisciplinaria Nature Communications informa sobre esto en su versión en línea.
Pilas cuádruples de moléculas de tinte
La investigación del acoplamiento entre las moléculas de tinte requiere agregados con una orientación distinta de las unidades de tinte. Los compañeros de trabajo del profesor Würthner lograron preparar agregados apropiados en forma de pilas que comprenden cuatro cromóforos. Para esto utilizaron tintes de merocianina que forman agregados bien definidosdebido a su fuerte carácter dipolar. "Mediante la unión química de dos cromóforos iguales a través de una unidad de naftaleno, podríamos obtener una molécula que se dimeriza en solución formando pilas de cuatro cromóforos iguales", explica David Bialas, estudiante de doctorado en el grupo de Frank Würthner yautor de la publicación.
Posteriormente, el científico fue un paso más allá: unieron dos cromóforos de merocianina diferentes que exhibían diferentes propiedades de absorción para obtener heteroagregados en forma de pilas cuádruples.
"La estructura de las pilas de colorantes en solución podría investigarse con la ayuda de la espectroscopía de resonancia magnética nuclear", dice Eva Kirchner, quien también es estudiante de doctorado en el grupo y participó en el proyecto. Una prueba inequívoca de la existenciade las pilas cuádruples se obtuvo mediante análisis estructural de rayos X. Para esto, el equipo tuvo que cultivar cristales adecuados, lo cual es una tarea difícil para los agregados de colorante.
Propiedades de absorción inesperadas
Las observaciones durante los estudios espectroscópicos de las propiedades de absorción fueron inesperadas. "Los resultados indicaron el acoplamiento de excitones entre las moléculas de tinte no solo para el homo-agregado sino también para el hetero-agregado", explica Bialas. Los cálculos mecánicos cuánticos confirmaron un fuerteacoplamiento de excitones entre los diferentes tipos de cromóforos en el heteroagregado. "Esto contradice la creencia común de que el acoplamiento fuerte solo es posible entre los mismos tipos de cromóforos", dice el científico.
Transferencia de energía rápida
El acoplamiento de excitón no solo influye en las propiedades de absorción de los agregados de colorantes, sino que también es una indicación para la transferencia rápida de energía entre las moléculas. Esto podría ser utilizado por los científicos en el futuro para recolectar la luz solar de manera más eficiente ya que el uso de diferentes moléculas de colorante permite cubriruna absorción más amplia del espectro solar. Por lo tanto, se puede obtener más energía que se puede convertir en energía actual o química.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Julius-Maximilians-Universität Würzburg, JMU . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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