La fotosíntesis nos hará olvidar a los combustibles fósiles

La fotosíntesis es ese proceso natural indispensable para la vida por el que las hojas de las plantas convierten luz solar en materia orgánica, que es una manera ecointeligente de almacenar energía.

Para aprovechar al máximo la luz, las plantas se ayudan de su estructura, de la clorofila y otros pigmentos para, al ser iluminadas por los fotones del sol, emitir electrones y desencadenar reacciones químicas para construir, con agua y dióxido de carbono, materia orgánica. 

Esta complejidad tan cotidiana es la que llevamos intentando emular desde hace tiempo, y lograrlo pondría a nuestra disposición esa fotosíntesis artificial que dejaría fuera de lugar el uso de combustibles fósiles para generar energía.

Para desarrollar esta posibilidad necesitamos nuevos materiales que sirvan de base de numerosas aplicaciones, desde la búsqueda de esas fuentes de energía limpia hasta la electrónica de consumo y las técnicas de imagen biomédica.

Los avances en esta línea de trabajo de materiales avanzados son los que reconoce el Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en la categoría de Ciencias Básicas, concediendo en su 13ª edición este galardón a los científicos Paul Alivisatos y Michael Grätzel, por sus contribuciones fundamentales al desarrollo de nuevos nanomateriales que ya se están aplicando hoy tanto en la producción de energía renovable como en la electrónica de última generación.

Paul Alivisatos (Chicago, Illinois, EEUU, 1959) se licenció en Química en la Universidad de Chicago , doctorándose en Berkeley años después. Tras trabajar como investigador en AT&T Bell Labs, se incorporó a Berkeley, donde hoy es Samsung Distinguished Professor de Nanociencia y Nanotecnología.

Alivisatos también es director fundador del Instituto Kavli de Nanociencia de la Energía y director emérito del Berkeley Lab. Finalmente, desempeña sendas cátedras en los departamentos de Química y de Ciencia e Ingeniería de los Materiales. 

Es autor de más de 400 publicaciones, cotitular de 38 patentes y fundador de 2 empresas.

Michael Grätzel (Dorfchemnitz, Alemania, 1944) se graduó en Química en 1968 en la Universidad Libre de Berlín, doctorándose después en Química Física. Ha sido profesor asociado en la Escuela Politécnica Federal de Lausana (Suiza) para, posteriormente, ocupar la cátedra de Química Física y crear el laboratorio de Fotónica e Interfaces (EPFL).

Ha trabajado en numerosos centros de investigación, como la Universidad de California (Berkeley, EEUU), la Universidad Nacional de Singapur, la Universidad Tecnológica de Delft (Países Bajos), el Instituto Hahn Meitner de Berlín (Alemania) o la Escuela Politécnica Superior de París-Cachan (Francia).

Es miembro científico externo del Instituto Max Planck (Alemania), preside uno de los paneles del programa Advanced Research Grants del Consejo Europeo de Investigación y ha sido miembro otras muchas instituciones científicas.

Es autor de más de 1.700 artículos científicos, titular de más de 80 patentes y es fundador de 2 startup.

Michael Grätzel ha sido el primero en combinar sistemas moleculares y nanopartículas para fabricar un nuevo tipo de células solares que imitan la fotosíntesis, acercando ese anhelado objetivo que antes hemos comentado de convertir la luz del sol en una fuente de electricidad limpia, eficiente y barata a gran escala.

La gran aportación de Grätzel fue disponer el dióxido de titanio en nanopartículas, en lugar de en placas, como las células de silicio convencionales. Cada nanopartícula de dióxido de titanio se recubre del pigmento, y el resultado es un fluido que contiene las nanopartículas con el que se fabrican las células solares.

Presentó su célula solar fotovoltaica en 1991 en la revista Nature, que ha sido citada decenas de miles de veces y que ha dado origen a las llamadas DSSC, siglas en ingles de células solares sensibilizadas por colorante, también conocidas como células de Grätzel.

Este desarrollo ha dado lugar a miles de patentes y a un nuevo campo de investigación para el desarrollo de las ventajas de estas células: materias primas abundantes, proceso de fabricación barato, transparencia, flexibilidad y capacidad de obtener electricidad también con la luz ambiental.

Aunque la eficiencia de estas células es aproximadamente un 15% (menor que la de las células convencionales de silicio), este umbral podría ser superado pronto con otro tipo de células que emergieron a partir de las de Grätzel: las células de perovskita.

Este material, que también parte de un líquido y que por tanto es apto para superficies flexibles, empezó a usarse en 2009 y en menos de una década se han conseguido eficiencias del 25%.

También este este logro relacionado con las células de perovskita, Grätzel ha tenido un papel muy relevante

Por su parte, Paul Alivisatos ha empleado nanocristales con apenas unos miles de átomos, denominados puntos cuánticos, para emitir luz cuyo color puede ser controlado de manera muy precisa.

También ha empleado estos nanocristales para buscar nuevas fuentes de energía renovable, siendo actualmente la aplicación más avanzada de su trabajo una nueva generación de pantallas que incorporan puntos cuánticos para lograr una alta calidad cromática y ya se comercializan como televisores QLED (Quantum Dot LED).

Controlar con alta precisión el tamaño del nanocristal implica controlar el color de la luz que emite. En una pantalla a color siempre hay un rojo, azul y verde que pueden ser excitados. Y esos colores interactúan dentro de nuestro ojo para reproducir todos los colores a nuestro alrededor.

Cuando metemos puntos cuánticos en un televisor, el tamaño de la partícula se puede usar para sintonizar con precisión el color, para que coincida con el mejor punto de energía, que coincide con los receptores en nuestro ojo.

Es un ejemplo que permite, por ejemplo, a artistas y fotógrafos lograr una mejor reproducción del color, pero también da como resultado una eficiencia altísima para las pantallas, por lo que consumen menos energía y se pueden utilizar en una variedad de nuevas aplicaciones.

Además, en el campo de la biomedicina, Alivisatos ha desarrollado nanocristales para tinciones de muestras biológicas. De hecho, actualmente hay en el mercado cientos de productos basados en puntos cuánticos destinados a imagen biomédica.

El trabajo de estos 2 científicos se complementa, ya que Grätzel ha investigado más en cómo convertir en electricidad la luz que entra en el sistema, mientras que el trabajo de Alivisatos tiene que ver más con cómo convertir la energía en luz que sale del sistema, y cómo las personas la podemos usar.

Ante la amenaza y el desafío de la crisis climática, ambos galardonados coinciden en la necesidad de reducir nuestro consumo de combustibles fósiles, y apostar por la eficiencia energética y la energía fotovoltaica, que tiene que aumentar su capacidad por un factor de 200 en las próximas décadas.

Para ello se requieren nuevas tecnologías, como puede ser la célula de perovskita y los nanocristales, para incorporar a los equipos de generación de energía y a los electrónicos para que sean más eficientes y de mayor calidad.

Para finalizar únicamente recordar que la Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento reconoce con estos premios internacionales a aquellas contribuciones científicas de amplio impacto por su originalidad y significado teórico, así como por su capacidad para avanzar en la frontera de lo conocido.