Fotosíntesis artificial

Las investigaciónes en cuanto a fotosíntesis artificial se pueden dividir de acuerdo con la fase de la fotosíntesis natural que buscan replicar: la separación de moléculas de agua para obtener hidrógeno y oxígeno que ocurre en la fase luminosa, y la fijación del bióxido de carbono que ocurre en la fase oscura.
La fase luminosa, como su nombre lo indica, ocurre en presencia de luz solar. Duranteesta fase las plantas convierten la energía luminosa – en forma de fotones – en energía química en forma de dos moléculas transportadoras: ATP y NADPH. La energía necesaria para estas reacciones es absorbida por moléculas de pigmento (tales como la clorofila, los carotenos y las ficocianinas) que junto con moléculas transportadoras de electrones forman complejos proteínicos muy especializadosdenominados fotosistemas, los cuales son alimentados con electrones provenientes de moléculas de agua que son deslizadas aparte en moléculas de hidrógeno y oxígeno
El proceso que permite obtener hidrógeno y oxígeno a partir de agua recibe el nombre de electrólisis del agua, y consiste en aplicar una carga eléctrica con suficiente potencial sobre moléculas de agua para separar los átomos que lascomponen, ya que es una reacción que no sucede de manera espontánea. Para realizarla se necesitan cuatro componentes, que tienen su correspondencia dentro de las plantas: un cátodo donde se concentra el hidrógeno (moléculas de NADP+), un ánodo donde se concentra el oxígeno (que se libera al aire), un electrolito o catalizador (los complejos fotosintéticos) y una fuente de energía (las moléculas declorofila que absorben la luz del Sol).
Aunque la electrólisis es fácilmente replicable en un laboratorio mediante el uso de electricidad, el reto consiste en fabricar dispositivos, denominados celdas fotoelectroquímicas, capaces de utilizar la energía solar para mantener la reacción de acuerdo con tres criterios:
• la reacción debe ser eficiente
• los materiales empleados en su construccióndeben ser resistentes a la corrosión provocada por el electrolito
• los materiales deben acercarse a los límites de potencial REDOX del hidrógeno y el oxígeno.
Los criterios antes mencionados imponen grandes límites en la selección de los materiales empleados para la fabricación del cátodo y el ánodo, así como también en la selección del catalizador utilizado.
Durante la fase oscura, lasplantas ocupan la energía almacenada en moléculas de ATP y NADPH producidas durante las reacciones luminosas para sintetizar glucosa a partir de dióxido de carbono y agua, y se le llama fase oscura ya que las reacciones pueden ocurrir en ausencia de luz, siempre y cuando existan suficientes moléculas de ATP y NADPH disponibles. A este conjunto de reacciones también se les conoce con el nombre de Ciclode Calvin-Benson o C3 (carbono 3).
La fijación del carbono inicia con moléculas de BPRu, un azúcar especial de cinco carbonos, cada una de las cuales se combina con una molécula de CO2 de la atmósfera para producir dos moléculas de PGAL utilizando energía la almacenada en el ATP y el NADPH. De cada doce moléculas de PGAL sintetizadas, sólo cinco se utilizan para regenerar el BPRu utlizado alinicio del ciclo, y las dos restantes se ocupan para la síntesis de glucosa y otras moléculas orgánicas que la planta necesite. El aspecto más importante de este conjunto de reacciones desde el punto de vista científico es precisamente que es un proceso cíclico, de forma que los mismos reactivos se pueden utilizar una y otra vez, de manera muy eficiente, para almacenar el bióxido de carbonoabsorbido del aire en compuestos orgánicos que pueden ser usados posteriormente, es decir, en el equivalente a un combustible.
El objetivo principal de las investigaciones referentes a la fase oscura consiste en poder generar una molécula que en presencia de luz solar sea capaz de reactivarse, y al igual que con la electrólisis, se pretende entender bien este proceso para poder diseñar catalizadores...