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FONCyT - Investigación
13.06.2018

En busca de las moléculas captadoras de luz

Un trabajo de investigación de Física Molecular que recibió apoyo del Ministerio de Ciencia fue publicado en la prestigiosa revista Nature Comm. El artículo plantea un cambio de paradigma en estudios sobre transferencia y conversión de energía.

Dianelys Ondarse Alvarez, Sebastián Fernández Alberti y Beatriz Rodriguez-Hernandez en su laboratorio (de izq. a der.).

En vistas del paulatino agotamiento de los hidrocarburos y con el fin de afrontar el desafío que implica el descubrimiento de energías limpias y renovables, el Dr. en Física Molecular del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), Sebastián Fernández Alberti junto a su equipo, se propusieron estudiar nuevos materiales con potenciales aplicaciones en antenas recolectoras de luz y dispositivos de células solares. El trabajo, titulado “Dinámica coherente excito-vibracional y transferencia de energía en sistemas moléculares orgánicos conjugados” fue publicado en la revista Nature Communications en el día de hoy.

Hace seis años que Sebastián viene trabajando en este proyecto, específicamente con simulaciones computacionales de dinámica molecular en estados excitados de moléculas orgánicas conjugadas. Su objetivo máximo, cuenta, “siempre ha sido simular el proceso inicial de captación de luz durante la fotosíntesis de plantas, estudiar este proceso con la mayor rigurosidad fisicoquímica y detalle atomístico posible, y el trabajo va en esta dirección”.

El objetivo de esta investigación fue lograr un conocimiento a nivel molecular del proceso de absorción de energía lumínica y su posterior relajación y redistribución intramolecular, “hasta llegar a su emisión en un rango de longitud de onda específico deseado”. Para esto, se propusieron desarrollar e implementar nuevos métodos teóricos aplicados a la comprensión de materiales que puedan ser utilizados para la conversión de energía solar. En particular, “utilizamos simulaciones de dinámica molecular no-adiabática en múltiples estados electrónicos excitados”, explica Fernández.

Esta herramienta –la simulación- permite la comprensión y predicción del comportamiento fisicoquímico de estos materiales. “Las simulaciones de procesos fotoinducidos en sistemas moleculares conjugados extendidos es fundamental para una variedad de aplicaciones tecnológicas que van desde antenas recolectoras de luz y células fotovoltaicas hasta futuros dispositivos optoelectrónicos”, añade.

Este trabajo, entonces, podrá traer aparejado un fuerte impacto en el campo de la conversión de energía solar: “Trabajamos con moléculas orgánicas conjugadas generalmente sintetizadas con el objeto de poder controlar el efecto de emisión deseado y/o eventualmente la posterior utilización de esta energía lumínica como energía química o eléctrica en LEDs (light emiting diodes), células solares y otros dispositivos optoelectrónicos”.  

Durante su investigación, se focalizaron en el estudio de la relación entre la estructura y la dinámica de los materiales y las diferencias entre la transferencia intramolecular de energía coherente e incoherente. “Pudimos demostrar que las observaciones de coherencia electrónica –presentes también en la fotosíntesis- deben ser atribuidas a fenómenos de coherencia vibracional (esto es, movimiento concertado de los núcleos) que modulan la localización de la función de onda electrónica. Esto es novedoso porque la comprensión anterior ignoraba en gran medida el efecto de los movimientos nucleares”.

El trabajo publicado tiene importantes implicancias científicas y tecnológicas “ya que el control de la coherencia permitiría optimizar la transferencia de energía”. En este sentido, los resultados obtenidos resuelven un problema de interés científico de larga data y aplicaciones tecnológicas importantes: “El cambio de paradigma introducido aquí tendrá un impacto de largo alcance para los científicos que trabajan en sistemas biológicos, sistemas de recolección de luz, ciencia de materiales y más”, afirma Sebastián.

Controlar el proceso de coherencia permite optimizar la eficiencia del proceso que conecta la captación inicial de luz y su canalización dentro de la molécula para ser transformada en energía eléctrica y/o química. “Los resultados permitirán orientar la síntesis de nuevas moléculas orgánicas conjugadas que cumplan con este fin; y éstas moléculas podrán luego formar parte de LEDs y células solares más eficientes que las actuales”, agrega.

Cabe destacar que la investigación de Fernández Alberti recibió apoyo de la Agencia Nacional de Promoción Científico Tecnológica del Ministerio de Ciencia a través de la adjudicación de dos subsidios a Proyectos de Investigación Científica y Tecnológica (PICT) del Fondo para la Investigación Científica y Tecnológica (FONCyT) por una suma de $815.000, lo cual repercutió en el cumplimiento y finalización del proyecto. El trabajo, además, ha sido realizado en colaboración con el grupo del Prof. Adrian Roitberg de la Universidad de Florida y Sergei Tretiak de Los Alamos National Laboratory, ambos de Estados Unidos.

Sebastián es Bioquímico por la Universidad Nacional de La Plata (UNLP) y se doctoró en la Université Paul Sabatier de Toulouse, Francia en Física Molecular; a lo largo de sus estudios, además, adquirió conocimientos en física cuántica. Actualmente se desempeña como investigador en la Universidad Nacional de Quilmes y el Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET). Durante su formación científica siempre trabajó en el campo de la simulación computacional acompañando, reproduciendo, complementando y explicando señales de espectroscopia láser de absorción y fluorescencia resueltas en tiempos de femtosegundos (esto es,  la unidad de tiempo que equivale a la milbillonésima parte de un segundo).

Para acceder a la publicación completa ingresá acá.

 

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