Silicio y sol

En su oficina frente al mar con vista al canal de Santa Bárbara, Daniel Morse desenvuelve cuidadosamente uno de sus preciados especímenes. Una intrincada celosía de relucientes fibras de vidrio, parece una obra de arte abstracto o un modelo arquitectónico detallado de un rascacielos. Pero en realidad es el esqueleto de uno de los organismos multicelulares más primitivos que aún existen: una especie de esponja marina comúnmente conocida como canasta de flores de Venus. Morse, biólogo molecular de la Universidad de California en Santa Bárbara, quiere saber cómo una criatura tan simple puede ensamblar una estructura tan complicada. Y luego quiere poner ese conocimiento en práctica, haciendo sus propias estructuras exóticas.

Daniel Morse sostiene una especie de esponja marina comúnmente conocida como canasta de flores de Venus. (Crédito: Gregg Segal)

La humilde esponja ha encontrado una solución notable a un problema que ha desconcertado a los principales químicos y científicos de materiales del mundo durante décadas: cómo hacer que materiales inorgánicos simples, como el silicio, se ensamblen en nanoestructuras y microestructuras complejas. Actualmente, hacer un dispositivo a microescala, digamos, un transistor para un microchip, significa tallarlo físicamente en una placa de silicio; es un proceso caro y exigente. Pero la naturaleza tiene formas mucho más simples de hacer microestructuras igualmente complejas usando nada más que química, mezclando compuestos en la combinación correcta. El método de la esponja es particularmente elegante. Situada en el lecho marino a miles de metros por debajo de la superficie del Pacífico occidental, la esponja extrae ácido silícico del agua de mar circundante. Convierte el ácido en dióxido de silicio (sílice) que, en una notable hazaña de ingeniería biológica, luego se ensambla en una estructura tridimensional precisa que es reproducida en detalle exacto por cada miembro de su especie.

Esta historia fue parte de nuestro número de noviembre de 2006

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Lo que hace que el logro de las esponjas sea tan impresionante, dice Morse, es que no requieren los productos químicos tóxicos y las altas temperaturas necesarias para la fabricación humana de estructuras inorgánicas complejas. La esponja, dice, puede ensamblar estructuras intrincadas de manera mucho más eficiente que los ingenieros que trabajan con los mismos materiales semiconductores.

Esta criatura primitiva y varios otros organismos marinos se han convertido en una inspiración para los investigadores que esperan encontrar formas más simples y económicas de construir estructuras inorgánicas, como dispositivos semiconductores, para su uso en microchips de computadora, materiales avanzados y células solares. El objetivo es hacer que el silicio y otros inorgánicos se autoensamblen en componentes electrónicos que funcionen de la misma manera que la esponja ensambla la sílice en formas complejas. (ver Otros en Materiales bioinspirados,) . Las instalaciones de fabricación de semiconductores de miles de millones de dólares que consumen mucha energía podrían ser reemplazadas por tanques de compuestos que reaccionan. Pero si bien los procesos industriales prácticos aún están lejos, los científicos están comenzando a comprender cómo las esponjas y otras criaturas marinas realizan sus milagros de microingeniería.

Morse y su equipo, por ejemplo, ya están utilizando trucos biológicos aprendidos de la esponja para fabricar nuevas formas de semiconductores con propiedades electrónicas intrigantes, incluida la capacidad de convertir la luz en electricidad, propiedades que podrían ser útiles para fabricar células solares más económicas y eficientes. . Su grupo, dice Morse, está construyendo estructuras que nunca antes se habían logrado.

Empezar desde el principio

Los tanques de agua de mar fuera del laboratorio de Morse están repletos de coloridas estrellas de mar y coralimorfarios, criaturas exóticas similares a las anémonas de mar. Pero Morse y James Weaver, un postdoctorado en el laboratorio, están más interesados ​​en una mancha de color óxido de aspecto anodino: una esponja naranja, un tipo de esponja que normalmente vive en las grietas de las rocas frente a la costa de Santa Bárbara. Si la canasta de flores de Venus es la catedral de cristal de las esponjas, esta es la choza de paja. La criatura informe parece no tener esqueleto en absoluto; pero una vez que los investigadores disuelven la materia viva de su exterior, quedan un puñado de diminutas agujas de vidrio, cada una de solo dos milímetros de largo y más delgada que un cabello humano.

Aunque Morse finalmente quiere comprender los esqueletos de esponja que son más complejos, estas simples agujas son un buen lugar para comenzar. Los científicos saben desde hace mucho tiempo que en el núcleo de las agujas de vidrio hay hebras de proteínas, pero nadie entendía qué hacían ni cómo se relacionaban con la construcción de las agujas. Así que Morse y sus colegas comenzaron por aislar el código genético de una de las proteínas, que como familia llegaron a llamar silicateinas, y analizaron sus resultados a través de una enorme base de datos de proteínas conocidas. No esperaban una coincidencia, pero la encontraron, de inmediato. La proteína era similar a una proteasa, una enzima que se encuentra en el intestino humano y que participa en la descomposición y digestión de los alimentos.

Fue muy extraño, dice Weaver. ¿Por qué la proteína que moldea la formación del esqueleto vítreo de una esponja tiene algo que ver con una proteasa? Los investigadores comenzaron a sospechar que las silicateinas hacían más que simplemente servir como una plantilla pasiva. De hecho, encontraron que, a diferencia de cualquier otra enzima estudiada previamente, una silicateína puede realizar una doble función. Produce activamente materiales de construcción como el óxido de silicio, en cierto sentido, al digerir compuestos en el agua de mar, y luego hace que los materiales se alineen a lo largo de su longitud para formar el vidrio en forma de aguja del esqueleto de la esponja. Morse dice que no se había descubierto tal enzima en todo el estudio de la biomineralización, que se ha prolongado durante un par de cientos de años.

Morse razonó que si las silicateinas fueran tan buenas para producir óxido de silicio, también podrían producir los tipos de óxidos metálicos que hacen buenos semiconductores en la electrónica y en algunos tipos de células solares. Él estaba en lo correcto. Morse dice que a 16 grados Celsius, la temperatura a la que vive la esponja en el agua fría frente a la costa de nuestro laboratorio, esta enzima catalizará la formación y estabilizará la formación de formas cristalinas de semiconductores de óxido metálico que no se pueden fabricar de manera convencional. excepto a temperaturas muy altas.

El resultado sugirió una forma menos costosa de fabricar semiconductores a temperaturas más bajas, pero había un problema potencial: la contaminación. Un biólogo está extasiado cuando obtienen una pureza de, digamos, el 90 por ciento. Un químico está extasiado cuando obtiene una pureza del 99 por ciento, dice Morley Stone, un bioquímico que dirige la investigación en biotecnología y materiales para los Laboratorios de Investigación de la Fuerza Aérea en la Base de la Fuerza Aérea Wright-Patterson, cerca de Dayton, OH. Pero un ingeniero electrónico u otra persona que necesite fabricar dispositivos, quieren ver materiales que tengan cinco nueves de pureza detrás, al menos. Agrega: A menudo, cuando se adoptan estos enfoques biológicos, se pueden cultivar algunas cosas interesantes y obtener algunas morfologías interesantes, pero no están ni cerca de tener la pureza de estado final que necesitaría en un dispositivo final.

Morse y sus colegas sabían que si esperaban fabricar materiales semiconductores para células solares baratas pero eficientes, probablemente necesitarían una técnica de síntesis química que se inspirara en las esponjas pero evitara la desordenada biología. Descubrieron que el secreto de la esponja era que los grupos químicos de amina e hidroxilo de la enzima producen el óxido de silicio y lo ensamblan de la manera requerida. Eso significaba que todos los productos químicos que requeriría una nueva técnica de síntesis se podían encontrar en el amoníaco y el agua. Los investigadores encontraron que al mezclar moléculas que contienen los precursores de los óxidos metálicos en agua y luego exponer la mezcla al gas amoníaco, podían crear películas delgadas de semiconductores altamente cristalinos, materiales útiles para la electrónica. Este es el gran avance que nos lleva al dominio de la utilidad práctica, dice Morse.

Además, los cristales tienen una nanoestructura compleja que podría mejorar el rendimiento de los dispositivos fotovoltaicos. Cerca de la superficie del agua, la concentración de gas amoniaco es relativamente fuerte, por lo que aquí es donde comienza a formarse el cristal semiconductor. Sin embargo, a medida que el amoníaco se difunde lentamente más profundamente en el agua, hace que los cristales crezcan hacia la mezcla, produciendo una película delgada que no es uniforme, sino que comprende una red de agujas o placas planas, cada una de las cuales apenas tiene unas mil millonésimas de metro de espesor. Esa red podría ser la base de una célula solar más eficiente.

Sueños solares

Las células solares de silicio cristalino que actualmente dominan el mercado fotovoltaico son caras, tan caras que la energía que producen cuesta varias veces más que la energía generada por combustibles fósiles. Una de las razones es el alto precio de sus materias primas. El silicio es extremadamente abundante en la tierra, pero no existe como elemento puro; en cambio, está ligado al oxígeno y otros elementos, en la arena, por ejemplo. Hacer silicio puro requiere mucha energía.

Para reducir los costos de las células solares, los investigadores han buscado formas de reducir la cantidad de silicio que utilizan. Algunos han optado por películas delgadas menos costosas hechas de telururo de cadmio o diselenuro de cobre e indio. Las capas extremadamente delgadas de estos nuevos semiconductores pueden absorber la misma cantidad de luz que las placas más gruesas de silicio cristalino. La técnica de fabricación de Morse podría ser una forma económica de hacer películas tan delgadas; además, la nanoestructura que produce este método es particularmente adecuada para absorber luz y convertirla en energía.

Un desafío en el diseño de células solares es asegurarse de que los electrones que se desprenden cuando la luz golpea un semiconductor creen una corriente. Cuando un fotón golpea un material de célula solar, el resultado es un electrón libre y su contraparte positiva, llamada agujero. Si estos pueden separarse rápidamente a electrodos opuestos, se produce una corriente eléctrica. Sin embargo, la dificultad de separarlos antes de que se recombinen y disipen energía como calor es uno de los principales obstáculos para las células solares de mayor eficiencia, dice Aravinda Kini, gerente de programa de investigación de materiales biomoleculares en el Departamento de Energía de EE. UU.

Las estructuras de Morse podrían superar este obstáculo. La red de proyecciones cristalinas podría sumergirse en un electrodo transparente sólido o líquido. La luz pasaría a través del electrodo, donde sería absorbida por el cristal. Debido a que el área de la superficie de la película delgada estructurada es alta (en un material, de 90 a 100 veces la de una película delgada tradicional), muchos de los pares de electrones y huecos generados por la luz estarían cerca de la interfaz del electrodo; como resultado, podrían separarse rápidamente, con un portador de carga moviéndose hacia el electrodo transparente y el otro portador viajando a través del cristal para salir por el electrodo opuesto.

Morse y sus colegas ya han fabricado más de 30 tipos de películas delgadas de semiconductores y han probado sus propiedades fotovoltaicas. Ahora están trabajando para incorporar los semiconductores en células solares funcionales. Al mismo tiempo, Morse continúa desarrollando nuevos métodos inspirados biológicamente para ensamblar materiales, con miras a aplicaciones adicionales, incluidos dispositivos semiconductores para baterías más seguras, de mayor densidad de potencia y chips de memoria más pequeños; también está interesado en crear fibras laminadas para materiales de construcción ultrarresistentes.

Pero a pesar de lo emocionado que está por las posibles aplicaciones de su trabajo, Morse sigue siendo en el fondo un biólogo molecular. Incluso mientras habla de cómo su investigación podría conducir a mejores células solares, mira por la ventana a los delfines retozando en el puerto. Y todavía está dedicado a comprender el mecanismo detrás de la complejidad de la esponja. Una vez más examina el exquisito esqueleto de la canasta de flores de Venus, aunque sin duda lo ha visto miles de veces. Esto fue hecho de vidrio, por un ser vivo, exclama. ¡Es increíble!

Kevin Bullis es Revisión de tecnología Editor de ciencia de materiales y nanotecnología.

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