Antenas de luz de plantas e bactérias prometem turbinar energia solar

Pesquisadores desenvolveram um novo tipo de fotodetector de alta eficiência, inspirado nos complexos fotossintéticos que as plantas usam para transformar a luz solar em energia.

Fotodetectores são os componentes usados em câmeras, sistemas de comunicação por luz e muitas outras aplicações, incluindo as células solares, sendo os responsáveis por transformar os sinais de luz (fótons) em sinais elétricos (elétrons), que são então processados para formar as imagens.

Os complexos fotossintéticos encontrados nas plantas consistem em uma grande região de absorção de luz que fornece energia de estado molecular energizado para um centro de reação, onde a energia é convertida em carga. Embora essa configuração seja muito eficiente, imitá-la requer o transporte de energia em um material orgânico, algo que tem se mostrado difícil de reproduzir em laboratório.

Este foi o desafio vencido agora. Para alcançar essa tarefa aparentemente impossível, os pesquisadores usaram quasipartículas conhecidas como polaritons.

“Um polariton combina um estado molecular excitado com um fóton, dando-lhe propriedades semelhantes à luz e à matéria, que permitem o transporte e a conversão de energia de longo alcance,” disse o professor Stephen Forrest, da Universidade de Michigan, nos EUA. “Este fotodetector é uma das primeiras demonstrações de um dispositivo optoeletrônico prático baseado em polaritons.”

Para criar um componente prático, a equipe teve que projetar estruturas que permitem a propagação dos polaritons por longas distâncias, o que foi conseguido usando um filme fino de um semicondutor orgânico (DBP). Eles também tiveram que descobrir como integrar um detector orgânico simples na região de propagação de uma maneira que produzisse uma conversão eficiente de polaritons em elétrons.

Melhor que o silício

Os testes mostraram que o novo fotodetector bioinspirado é mais eficiente na conversão de luz em corrente elétrica do que um fotodiodo de silício. Ele também pode coletar luz de áreas de cerca de 0,01 mm² e atingir a conversão de luz em corrente elétrica em distâncias excepcionalmente longas para os padrões moleculares, de 0,1 nm – esta distância é mil vezes maior do que a distância de transferência de energia dos complexos fotossintéticos.

A expectativa da equipe é que seu dispositivo permita aumentar a eficiência de geração de energia das células solares, que usam componentes semelhantes aos fotodetectores para converter a luz solar em eletricidade.

“Componentes como o nosso fornecem um método incomum, e possivelmente único, para entender as propriedades fundamentais dos polaritons e permitir formas ainda não imaginadas de manipular a luz e a carga elétrica,” disse Forrest.

Estrutura biológica da “antena” usada pelas cianobactérias para captar a luz e fazer fotossíntese.
[Imagem: María Agustina Domínguez-Martín et al. – 10.1038/s41586-022-05156-4]

Antenas de luz das bactérias

E pode haver mais para copiar da natureza quando o assunto é aproveitar melhor a energia solar.

Uma outra equipe acaba de construir a imagem mais detalhada já feita até hoje da “antena biológica”, que permite que microrganismos captem a luz solar para fazer fotossíntese.

A natureza desenvolveu essas estruturas para aproveitar a energia do Sol através da fotossíntese, mas esses receptores de luz solar não pertencem às plantas. Eles são encontrados em micróbios conhecidos como cianobactérias, os descendentes evolutivos dos primeiros organismos da Terra capazes de pegar luz solar, água e dióxido de carbono e transformar tudo em açúcares e oxigênio.

O novo mapeamento mostrou pela primeira vez como a energia da luz é capturada e enviada para onde ela é necessária para alimentar a conversão de dióxido de carbono em açúcares.

As estruturas de antenas das cianobactérias, chamadas ficobilissomas, são coleções complexas de pigmentos e proteínas, que se agrupam em complexos relativamente maciços. Mas os ficobilissomas são frágeis, o que vinha limitando seu estudo a partes isoladas porque os pesquisadores não conseguiam obter imagens de alta resolução de antenas intactas, o que é necessário para entender como elas capturam e conduzem a energia da luz.

A equipe conseguiu fazer isto graças a uma técnica chamado microscopia crioeletrônica, que permitiu criar um mapa das antenas com resolução quase atômica.

Uma das surpresas reveladas por esse mapeamento é como uma proteína relativamente pequena pode funcionar como um protetor contra surtos para a antena inteira. Esse tipo de sistema de proteção contra picos – que é chamado de fotoproteção e tem análogos no mundo das plantas – naturalmente tende a ser um desperdício em termos de captação de energia porque as cianobactérias demoram a desligar sua fotoproteção depois de fazer seu trabalho. Agora, com a visão completa de como o protetor contra surtos funciona, os pesquisadores podem projetar uma fotoproteção bioinspirada mais eficiente, com menos desperdício.

Além de elucidar um mecanismo fundamental, a descoberta também poderá ajudar a lidar com bactérias nocivas no meio ambiente, desenvolver sistemas fotossintéticos artificiais para energia renovável e recrutar micróbios para a fabricação sustentável de compostos químicos ambientalmente amigáveis.

“Há muito interesse em usar cianobactérias como fábricas movidas a energia solar, que capturam a luz solar e a convertem em um tipo de energia que pode ser usada para fazer produtos importantes,” disse Cheryl Kerfeld, da Universidade Estadual de Michigan, nos EUA. “Com um projeto como o que fornecemos neste estudo, você pode começar a pensar em ajustar e otimizar o componente de captação de luz da fotossíntese.”