Una de las mayores tentaciones para un científico consiste en tratar de reproducir los fenómenos naturales, tan fascinantes, dada su eficacia y perfección. Ese es el objetivo que persigue el Grupo de Espectroscopía Molecular de la UPV/EHU, que, en el Año Internacional de la Luz, ha diseñado una serie de nanomateriales fluorescentes inspirados en los sistemas antena de las plantas.

Estos nuevos materiales multifuncionales pretenden imitar los orgánulos fotosintéticos de las plantas. Dichos orgánulos están constituidos por miles de moléculas de clorofila embebidas en una matriz proteica que les otorga una determinada orientación/ordenación y distancia intermolecular. Una de las principales características de estos sistemas es su función de antena, que les permite recolectar la energía solar en un amplio rango espectral y transportarla mediante múltiples y eficientes procesos de transferencia de energía hasta un centro de reacción específico, donde finalmente se transforma en energía química.

Es bien sabido que la radiación solar se compone de múltiples colores (azul, verde, amarillo, rojo, etc), como prueba la amplia gama de colores presentes en el arco iris. La finalidad de los sistemas antena artificiales consiste en captar el mayor rango de luz posible para luego convertirla eficientemente en energía eléctrica o emisión de luz roja, tan útil en aplicaciones fotónicas, por ejemplo, las de interés biomédico. En este sentido, y con objeto de obtener sistemas antena artificiales, el Grupo de Espectroscopía Molecular ha desarrollado nuevos colorantes y nanomateriales fotoactivos susceptibles de absorber un amplio intervalo de radiación cromática, para, a continuación, transformarla en emisión únicamente roja.

En estos colorantes y nanomateriales fotoactivos desarrollados por el Grupo de Espectroscopía Molecular coexisten moléculas donadoras y aceptoras de energía. Las primeras son moléculas fluorescentes altamente fotoestables y son los responsables de absorber la luz para posteriormente transferírsela a las especies aceptoras, las cuales emitirán luz. Esta estrategia permite reducir las limitaciones propias de los colorantes rojos, que se caracterizan por su reducida absorción de luz y su baja fotoestabilidad, y supone una gran ventaja para las aplicaciones fotónicas y biofotónicas, ya que permiten mejorar la fotoestabilidad del sistema y la sensibilidad de detección.

Para el desarrollo de estos sistemas antena se ha optado por tres alternativas diferentes: dos de ellas están basadas en la encapsulación de colorantes fluorescentes en soportes bien inorgánicos bien orgánicos, y otra en el ensamblaje de distintos colorantes en una única estructura molecular. «Hemos remplazado la matriz proteica de los sistemas naturales por soportes sintéticos de dimensiones nanométricas, los cuales protegen a los colorantes y proporcionan un ordenamiento significativo que ayudará a que los procesos de transferencia de energía sean viables y eficientes. Por otro lado, respecto a la parte fotoactiva, que es la encargada de interaccionar con la luz, las moléculas de clorofila, han sido relevadas por moléculas fluorescentes muchas de ellas sintetizadas a la carta», explica Leire Gartzia, autora de la tesis cuyos resultados más relevantes se han recopilado en el artículo publicado en International Reviews in Physical Chemistry.

En la primera de las alternativas, la matriz sólida elegida para encapsular los colorantes fluorescentes es del aluminosilicato cristalino conocido como Zeolita L, caracterizado por poseer canales unidimensionales y con un tamaño de poro idóneo (7Å), en el que las moléculas encajan como anillo al dedo. «Esto da lugar a un nanomaterial altamente ordenado que permite modular la emisión de luz, dando lugar a luz roja o blanca, dependiendo del control que hagamos sobre la eficiencia del proceso de transferencia de energía», añade la investigadora. Esta camaleónica propiedad los convierte en materiales susceptibles de generar nuevos diodos emisores de luz (LEDs), destacando los de emisión blanca (WLED) tan útiles en tecnologías de la iluminación como pueden ser los monitores de cristal líquido (LCD).

La otra matriz elegida para albergar colorantes consiste en nanopartículas poliméricas capaces de alojar en su interior concentraciones altísimas de colorante sin que se agregue. «El confinamiento de los colorantes reduce los procesos de fotodegradación, aumenta considerablemente su vida útil y favorece la transferencia de energía, lo que nos ha permitido no sólo obtener un sistema antena, sino también radiación láser roja sintonizable, eficiente y duradera en suspensiones acuosas estables», indica Leire Gartzia.

Por último, se han desarrollado sistemas antena compuestos única y exclusivamente por moléculas orgánicas, donde la especie donadora y aceptora de energía están unidas mediante un espaciador que asegura cortas distancias intermoleculares, logrando que los procesos de transferencia de energía alcancen eficiencias prácticamente del 100%. Esto ha significado una gran mejora en la recolección de luz a lo largo de todo el espectro visible, dando lugar a luz exclusivamente roja brillante y estable, lo que los convierte en altamente recomendables como medios activos de láseres sintonizables en la región cercana al infrarrojo. El principal interés de esta longitud de onda es su gran capacidad de penetrabilidad en los tejidos, clave en la terapia fotodinámica, con usos, por ejemplo, en oftalmología y dermatología y en el tratamiento del cáncer.

Referencia:

L. Gartzia-Rivero, J. Bañuelos e I. López-Arbeloa. (2015) Excitation energy transfer in artificial antennas: from photoactive materials to molecular assemblies. International Reviews in Physical Chemistry DOI: 10.1080/0144235X.2015.1075279

Edición realizada por César Tomé López a partir de materiales suministrados por UPV/EHU Komunikazioa