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Los investigadores han demostrado una forma nueva y sostenible de fabricar las sustancias químicas que constituyen la base de miles de productos -desde plásticos a cosméticos- que utilizamos cada día.
Cientos de miles de sustancias químicas son fabricadas por la industria química, que transforma materias primas -generalmente combustibles fósiles- en productos finales útiles. Debido a su tamaño y al uso de combustibles fósiles como materia prima, la industria química es responsable de aproximadamente el 6% de las emisiones mundiales de carbono.
Pero unos investigadores de la Universidad de Cambridge están desarrollando nuevos métodos que podrían conducir algún día a la "desfosilización" de este importante sector.
Han desarrollado un dispositivo híbrido que combina polímeros orgánicos captadores de luz con enzimas bacterianas para convertir la luz solar, el agua y el dióxido de carbono en formiato, un combustible que puede impulsar otras transformaciones químicas.
Su "hoja semiartificial" imita la fotosíntesis, el proceso que utilizan las plantas para convertir la luz solar en energía, y no necesita ninguna fuente de energía externa. A diferencia de prototipos anteriores, que a menudo dependían de absorbentes de luz tóxicos o inestables, el nuevo diseño biohíbrido evita los semiconductores tóxicos, dura más y puede funcionar sin productos químicos adicionales que antes dificultaban su eficacia.
En las pruebas, los investigadores utilizaron la luz solar para convertir el dióxido de carbono en formiato y luego lo emplearon directamente en una reacción química "dominó" para producir un importante tipo de compuesto utilizado en productos farmacéuticos, con un alto rendimiento y pureza.
Sus resultados, publicados en la revista Joule, marcan la primera vez que se han utilizado semiconductores orgánicos como componente captador de luz en este tipo de dispositivo biohíbrido, abriendo la puerta a una nueva familia de hojas artificiales sostenibles.
La industria química es fundamental para la economía mundial, ya que produce desde fármacos y fertilizantes hasta plásticos, pinturas, productos electrónicos, productos de limpieza y artículos de tocador.
"Si queremos construir una economía circular y sostenible, la industria química es un problema grande y complejo que debemos abordar", afirma el profesor Erwin Reisner, del departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge, que dirigió la investigación. "Tenemos que encontrar la manera de eliminar los combustibles fósiles de este importante sector, que produce tantos productos importantes que todos necesitamos. Es una gran oportunidad si lo hacemos bien".
El grupo de investigación de Reisner está especializado en el desarrollo de hojas artificiales, que convierten la luz solar en combustibles y productos químicos basados en el carbono sin depender de los combustibles fósiles. Pero muchos de sus diseños anteriores dependen de catalizadores sintéticos o semiconductores inorgánicos, que se degradan rápidamente, desperdician gran parte del espectro solar o contienen elementos tóxicos como el plomo.
"Si podemos eliminar los componentes tóxicos y empezar a utilizar elementos orgánicos, obtendremos una reacción química limpia y un único producto final, sin reacciones secundarias no deseadas", explica la Dra. Celine Yeung, coautora del estudio y parte de su tesis doctoral en el laboratorio de Reisner. "Este dispositivo combina lo mejor de ambos mundos: los semiconductores orgánicos son sintonizables y no tóxicos, mientras que los biocatalizadores son altamente selectivos y eficientes".
El nuevo dispositivo integra semiconductores orgánicos con enzimas de bacterias reductoras de sulfato, que dividen el agua en hidrógeno y oxígeno o convierten el dióxido de carbono en formiato.
Los investigadores también han resuelto un viejo problema: la mayoría de los sistemas requieren aditivos químicos, conocidos como tampones, para mantener las enzimas en funcionamiento. Estos pueden descomponerse rápidamente y limitar la estabilidad. Al incrustar una enzima auxiliar, la anhidrasa carbónica, en una estructura porosa de titanio, los investigadores consiguieron que el sistema funcionara en una simple solución de bicarbonato -similar al agua con gas- sin aditivos insostenibles.
"Es como un gran rompecabezas", explica el Dr. Yongpeng Liu, investigador postdoctoral del laboratorio de Reisner. "Tenemos todos estos componentes diferentes que hemos intentado reunir con un único fin. Nos llevó mucho tiempo averiguar cómo se inmoviliza esta enzima específica en un electrodo, pero ahora estamos empezando a ver los frutos de estos esfuerzos."
"Estudiando realmente cómo funciona la enzima, pudimos diseñar con precisión los materiales que componen las distintas capas de nuestro dispositivo tipo sándwich", explica Yeung. "Este diseño hizo que las piezas funcionaran juntas con mayor eficacia, desde la diminuta nanoescala hasta la hoja artificial completa".
Las pruebas demostraron que la hoja artificial producía corrientes elevadas y lograba una eficacia casi perfecta a la hora de dirigir los electrones hacia las reacciones de producción de combustible. El dispositivo funcionó con éxito durante más de 24 horas: más del doble que los diseños anteriores.
Los investigadores esperan seguir desarrollando sus diseños para prolongar la vida útil del dispositivo y adaptarlo para que pueda producir distintos tipos de productos químicos.
"Hemos demostrado que es posible crear dispositivos alimentados por energía solar que no sólo sean eficientes y duraderos, sino que además no contengan componentes tóxicos o insostenibles", afirma Reisner. "Esto podría ser una plataforma fundamental para producir combustibles y productos químicos ecológicos en el futuro: es una oportunidad real de hacer una química apasionante e importante".
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