Energía inspirada biológicamente

–Con la mirada puesta en las nuevas formas de energía–

Energía inspirada biológicamenre
Los investigadores utilizan el superordenador Ranger de TACC para investigar materiales fotosintéticos

El Dr. Cheung utiliza simulaciones por ordenador para estudiar la dinámica de las moléculas de la tríada captadores de luz en el confinamiento. Esta imagen muestra la energía libre 2-D del sistema como una función del primer componente principal (PC1) y el segundo componente principal (PC2) para la triada en el sistema de volumen. La escala de color se da en unidades de kBT, donde kB es la constante de Boltzmann y T es la temperatura a 350 K. Seis estructuras representativas de la tríada se ilustran en cada panel.

En la década de 1990, Gust Devens y la Universidad Estatal de Arizona descubrieron un material potencialmente capaz de estremecer al mundo para convertir la luz solar en energía química mediante la imitación de los procesos que las plantas utilizan para derivar el sustento del sol. Sin embargo, el material artificial de fotosíntesis, descubierto – se conoce como la tríada molecular de los carotenoides-porfirina-C60 – ha demostrado ser difícil de comercializar.

“El inconveniente es que esta molécula sólo puede ser controlada o contenida en los laboratorios experimentales”, dijo Margaret Cheung, profesor asistente de física en la Universidad de Houston.

Cheung ha estudiado el efecto de confinamiento de los materiales durante muchos años. Sin embargo, este es el primer proyecto donde se ha aplicado esos conocimientos a los materiales artificiales de fotosíntesis. Ella reconoce que la nueva dirección, en parte, al impacto de la industria energética en su ciudad natal de Houston.

“Debido a la crisis energética que hemos experimentado en las últimas décadas, he pensado acerca de cómo mi investigación puede contribuir al campo de la energía”, dijo Cheung. “A pesar de que mi formación no está en la biología, siempre estoy pensando en esto. Y investigas con pasión, tienes algunas ideas.”

La energía solar podría transformar el panorama energético en los Estados Unidos, al reducir la dependencia de la nación sobre el carbón y el gas natural para producir electricidad. Actualmente, sin embargo, la energía solar sigue siendo más cara que el promedio de los combustibles fósiles.

“Usted puede pensar que el sol es abundante, pero la energía fotovoltaica tradicionales requieren elementos de tierras raras, y muchos de ellos son importados de las áreas que tienen las guerras o en los que es difícil de extraer, lo que eleva el costo”, dijo Cheung. “Si podemos aprender de las plantas, que utilizan sólo elementos comunes, hidrógeno, nitrógeno, carbono, oxígeno y algunos otros-, entonces vamos a ser capaces de bajar el costo Esta es la razón por la cual nos fijamos en la bio-inspirados en los materiales como los recursos posibles. para la energía solar. ”

Para habilitar su investigación, Cheung utiliza el superordenador poderoso Ranger en el Texas Advanced Computing Center (TACC) para explorar el papel que el confinamiento, la temperatura y los disolventes desempeñan en la estabilidad y la eficiencia energética de la tríada de captador de luz. Sus resultados proporcionan una forma de probar, adaptar, y el ingeniero de nano-cápsulas con las tríadas integrados que, cuando se combinan en grandes números, en gran medida podría aumentar la capacidad de producir energía limpia.
(A) Un 2-D química diagrama de la tríada. (B) la representación en 3-D de la tríada. (C) Una instantánea de una representación de todos los atomista de la tríada solvatados en una CS, que se define por la media de longitud de un cilindro central, una, y el radio de un hemisferio, b. una es 3,65 nm y b es 1,61 nm en la figura. Los átomos están coloreados por sus tipos: el hidrógeno en blanco, de carbono en el cian, el nitrógeno en azul, y el oxígeno en rojo. Los átomos de carbono de porfirina son de color morado para la orientación visual. Haga clic en la imagen para verla en tamaño completo.

El proyecto está financiado por el Departamento de Energía y con el apoyo de equipos avanzados de TACC y el National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). Desde 2011, el proyecto ha utilizado más de 2,5 millones de horas de computación en Ranger y 2 millones de horas a NERSC. Los resultados de sus estudios fueron publicados en la revista Journal of Physical Chemistry B en febrero de 2012.

“Mediante el uso de la computación, podemos comprender las propiedades y el comportamiento de esta molécula y obtener una perspectiva de mejorarlo”, dijo. “Si podemos capturar el mecanismo que convierte la energía solar en combustible químico, se abre la puerta a muchas oportunidades.”

A diferencia de las células fotovoltaicas, que están hechos de materiales en estado sólido, el carotenoide-porfirina-C60 molecular de la tríada es un compuesto bioinorgánica, la combinación de componentes biológicos e inorgánicos. Estas moléculas híbridas son más flexibles, frágiles y propensos a romperse.

La tríada luz-cosecha molecular que Cheung investiga combina tres componentes: un carotenoide (un pigmento orgánico, similar a la cromóforo en las plantas); un fullereno o buckyball (una molécula basada en el carbono que se forma una esfera hueca), y una porfirina (un compuesto orgánico que se puede unir ligandos para metales, como con la hemoglobina).

“Cuando los fotones chocan la tríada, la molécula se excita”, explica Cheung. “Este estado de excitación dispersa los electrones, proporcionando una fuerza motriz para mover los electrones en una distribución polarizada, como un dipolo”.

Esta separación de cargas positivas y negativas en el sistema se convierte en el potencial químico almacenado desde la cual la energía puede ser producida.

El problema es que los compuestos bioinorgánicos son flexibles en la naturaleza y no puede permanecer en una configuración fija durante un período corto de tiempo. “Si queremos aprovechar este estado de carga separada, pero el vehículo que transporta el estado de carga-por separado se tambalea todo el tiempo, entonces no es muy confiable”, dijo Cheung.

La vacilación de la tríada también desafió los esfuerzos para simular su dinámica en el pasado. Cheung tiene nuevos métodos pioneros  que combinan enfoques de química cuántica, simulaciones de dinámica molecular y física estadística a tener en cuenta el paisaje microscópico de las moléculas y las muchas configuraciones que la tríada podría estar en que los fotones chocan con el material.

Cheung y su equipo simularon la tríada en la solución a muchos diferentes temperaturas y condiciones de confinamiento para trazar el impacto de estos cambios en el comportamiento de la molécula. Se descubrió que la distribución conformación tríada podría ser manipulado por las fluctuaciones de temperatura en el disolvente. Además, concluyeron que cuando la presencia de confinamiento se considera, la red de las moléculas del disolvente se interrumpe, que dicta tanto las posiciones de los componentes en el parto y su atracción a la pared.

En última instancia, el objetivo es utilizar la información de las simulaciones por ordenador para diseñar un sistema escalable que maximiza la generación de energía química, manteniendo la estabilidad de la tríada.

“Si queremos estabilizar la tríada hay muchas estrategias diferentes para hacerlo”, dijo Cheung. “Tal vez esto implica el rediseño de las moléculas. Tal vez implica el diseño de diferentes solventes o diferentes tamaños de las cápsulas. No sabemos si tratamos las diferentes condiciones y sondear sus respuestas. Mediante el uso de la computación, podemos entender las propiedades y el comportamiento de este molécula, que nos puede dar una idea de cómo mejorarlas. ”

Fuente:  InsideHPC y TACC