Aprendiendo algunos pasos nuevos en la danza de conversión de energía

En el corazón de la conversión de energía, los electrones y los protones se mueven en una danza intrincada y coordinada. Químicos en Yale y en Suecia dicen que pueden haber aprendido los pasos de una nueva rumba fotoquímica.

El descubrimiento, publicado en la revista Ciencias, podría proporcionar información sobre la forma en que el mundo natural convierte la energía solar en combustible, como en la fotosíntesis. Ese conocimiento puede ayudar en el diseño de nueva tecnología de energía solar y celdas solares.

«Aunque es raro descubrir un tipo de mecanismo nuevo y fundamental, este sistema molecular fue preparado para revelar un comportamiento tan intrigante», dijo Sharon Hammes-Schiffer, profesora de química de Sterling en Yale. «Este trabajo solo fue posible a través de una fuerte colaboración entre la teoría y el experimento».

Hammes-Schiffer es coautor del estudio, junto con James Mayer, profesor de química Charlotte Fitch Roberts en Yale, y Leif Hammarström, profesor de química en la Universidad de Uppsala, en Suecia.

El nuevo estudio amplía el trabajo previo de los investigadores, en el que encontraron que ciertas moléculas, cuando se irradian, pueden exhibir un efecto conocido como región invertida de Marcus (MIR). En el MIR, una reacción de transferencia de electrones, sorprendentemente, se ralentiza a medida que se vuelve energéticamente más favorable. El efecto MIR se considera central para la eficiencia de la fotosíntesis, dicen los científicos, porque ralentiza los procesos de energía que son un desperdicio. El trabajo anterior reveló el comportamiento MIR para lo que describen como una reacción de transferencia de electrones acoplados a protones (PCET).

Sin embargo, los investigadores también notaron que algunas de las moléculas que estudiaron no mostraban MIR. Sospechaban que podría haber un proceso fotoquímico separado, hasta ahora desconocido en el trabajo. Los cálculos del grupo de Hammes-Schiffer sugirieron un mecanismo competitivo en el que la transferencia de energía electrónica y la transferencia de protones están «acopladas».

Y eso es, de hecho, lo que el equipo encontró en el nuevo estudio.

En una serie de experimentos fotoquímicos, los investigadores disolvieron moléculas a temperaturas muy bajas (77 grados K ​​o -321 F) en un tipo de vidrio que aisló el nuevo mecanismo. Después de iluminar las moléculas frías con luz, el equipo observó fluorescencia asociada con el nuevo mecanismo, al que llaman transferencia de energía acoplada a protones (PCEnT).

Durante PCEnT, la energía de la fotoexcitación en un fragmento de una molécula se transfiere a un segundo fragmento ubicado en la molécula. Esta transferencia de energía no implica transferencia de electrones entre los dos fragmentos; está acoplado a una transferencia de protones que ocurre dentro del segundo fragmento. Por lo tanto, el proceso no es PCET, que implica transferencia de electrones, sino PCEnT, que implica transferencia de energía.

«Las transferencias de energía electrónica entre moléculas o partes de moléculas se conocen desde hace mucho tiempo y son importantes en muchos procesos impulsados ​​por la luz», dijo Mayer. «PCEnT parece ser el primer ejemplo de transferencia de energía fotoquímica que se acopla al movimiento de un átomo o un núcleo».

Los coautores del estudio son Zhen Tao de Yale y Belinda Pettersson Rimgard de la Universidad de Uppsala. Otros autores son la estudiante graduada Laura Cotter de Yale y el ex becario postdoctoral de Yale Giovanny Parada.