Energia

Novo sistema de transferência de energia traz nova luz para fotossíntese artificial

Novo sistema de transferência de energia traz nova luz para fotossíntese artificial
O fóton solar cai em uma armadilha onde é formada uma partícula que é meio luz, meio matéria. Essa partícula pode viajar por longas distâncias. [Imagem: University of Southampton]

Fotossíntese artificial

Cientistas desenvolveram um novo sistema híbrido de transferência de energia que amplia os processos responsáveis pela fotossíntese para grandes distâncias.

Esse pode ser o passo que faltava para viabilizar a fotossíntese artificial, uma tecnologia emergente que promete aproveitar a luz do Sol para gerar virtualmente qualquer tipo de combustível - além de eletricidade, é claro.

Muitos pesquisadores afirmam que o futuro energético do planeta está nas folhas artificiais, materiais artificiais que possam imitar a fotossíntese.

O problema é que tem sido difícil replicar artificialmente os delicados processos pelos quais as plantas capturam os fótons e os utilizam como fonte de energia.

A saída foi encontrada em um processo que literalmente mescla luz e matéria.

Transferência de energia por ressonância

Os processos biológicos de absorção de luz e a sua conversão em energia envolvem reações elementares que ocorrem em virtualmente todos os seres vivos - seja para fazer fotossíntese, seja para sintetizar a vitamina D, por exemplo.

Esta transferência de energia é conhecida como "Transferência de Energia por Ressonância Forster" (TERF), uma transmissão de energia sem radiação que ocorre na escala nanométrica a partir de uma molécula doadora para uma molécula receptora.

Nas plantas, a molécula doadora é o corante, ou cromóforo, que inicialmente absorve a energia da luz, e o receptor é outro cromóforo, para o qual a energia é transferida sem qualquer colisão molecular.

Contudo, a TERF é um processo fortemente dependente da distância, ocorrendo tipicamente em uma escala de 1 a 10 nanômetros, o equivalente a alguns átomos enfileirados.

Novo sistema de transferência de energia traz nova luz para fotossíntese artificial
Em lugar das distâncias moleculares, os polaritons podem viajar a distâncias comparáveis ao comprimento de onda da luz visível. [Imagem: David M. Coles et al. - 10.1038/nmat3950]

Mescla de luz e matéria

Agora, David Coles e seus colegas da Universidade de Southampton, no Reino Unido, desenvolveram uma nova versão dessa transmissão não-radiativa de energia que opera a até 700 nanômetros de distância.

Isso significa que o processo é adequado para funcionar em dispositivos práticos que podem ser fabricados com a tecnologia da microeletrônica ou da nanotecnologia.

"A possibilidade de transferir energia a distâncias comparáveis ao comprimento de onda da luz tem interesse tanto fundamental quanto aplicado. Esse entendimento da transferência de energia elucida os mecanismos básicos por trás do processo da fotossíntese em sistemas biológicos e, portanto, nos leva mais perto da reprodução de sistemas totalmente sintéticos que imitem as funcionalidades biológicas," disse o professor Niccolo Somaschi, orientador da equipe.

Mistura de luz e matéria

O dispositivo consiste de uma cavidade óptica formada por dois microespelhos metálicos que aprisionam os fótons em um ambiente onde foram depositadas duas moléculas orgânicas diferentes.

Ajustando o espaçamento entre os espelhos às propriedades ópticas das moléculas, é possível criar um novo estado quântico que é uma combinação dos fótons e dos estados excitados das moléculas - essencialmente um estado quântico híbrido que mescla luz e matéria.

Os fótons funcionam como uma espécie de "cola" para esses estados quânticos híbridos, formando uma nova partícula que é meio luz, meio matéria, chamada polariton.

Esse polariton é o responsável por transferir a energia de forma eficiente de um material para outro, por longas distâncias.

Bibliografia:

Polariton-mediated energy transfer between organic dyes in a strongly coupled optical microcavity
David M. Coles, Niccolo Somaschi, Paolo Michetti, Caspar Clark, Pavlos G. Lagoudakis, Pavlos G. Savvidis, David G. Lidzey
Nature Materials
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nmat3950




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