Premiados los científicos que han desarrollado nuevos nanomateriales para mejorar las energías limpias

Michael Grätzel, científico de la Escuela Politécnica Federal de Lausana, Suiza, y Paul Alivisatos, investigador de la Universidad de California en Berkeley, EEUU, han recibido este miércoles la decimotercera edición del premio BBVA Fronteras del Conocimiento en la categoría de Ciencias Básicas por lograr “descubrimientos fundamentales que han permitido el uso de nanoestructuras para la conversión de energía”, según señala el acta del jurado.

Los hallazgos de los dos científicos son “fundamentales” para el desarrollo de nuevos nanomateriales que se están aplicando en la producción de energías renovables y en la electrónica de última generación. “El trabajo rompedor de Grätzel incluye la invención de un tipo de célula sensibilizada por colorante que imita el proceso de fotosíntesis y mejora la generación de energía solar”, dice el jurado. Alivisatos, por su parte, ha empleado nanocristales para emitir luz y controlar el color de forma muy precisa. Su trabajo, además de servir para crear pantallas de televisores QLED, ha ayudado a maximizar la absorción y el uso de paneles solares.

De acuerdo con el jurado, los dos científicos son “pioneros en controlar la pareja luz-materia, a través del uso de nanomateriales”. Después de recibir el premio, Alivisatos ha afirmado por videoconferencia: “Michael Grätzel ha investigado cómo convertir en electricidad la luz que entra en el sistema, mientras que las aplicaciones derivadas de mi trabajo tienen que ver más con cómo convertir la energía en luz que sale del sistema, y que la gente puede usar”.

Los dos galardonados están convencidos de que, ante la amenaza del cambio climático y la necesidad de producir energía renovable a gran escala, las nuevas líneas de investigación abiertas por su trabajo representan una de las posibles soluciones desde la ciencia y la tecnología. “El cambio climático”, señala Grätzel, “es nuestro principal desafío. Debemos reducir el uso de combustibles fósiles y la energía fotovoltaica tiene que aumentar 200 veces su capacidad en las próximas décadas”.

Alivisatos coincide y reconoce que parte de ese reto es aprender a fabricar nuevos materiales que puedan captar la energía del sol, con las menores pérdidas posibles. “Hemos comprobado que los nanomateriales se pueden fabricar con una calidad altísima y a un coste relativamente bajo. Se pueden usar para absorber la luz del sol, y que al hacerlo no pierdan energía en forma de calor, lo que permite una conversión más eficiente en electricidad”.

La célula que imita la fotosíntesis

Michael Grätzel fue el primero en combinar sistemas moleculares y nanopartículas para fabricar un nuevo tipo de células solares que imitan la fotosíntesis. Su descubrimiento tiene el objetivo de convertir la luz del sol en una fuente de electricidad limpia, eficiente y barata a gran escala.

La fotosíntesis, el proceso natural a través del cual las hojas de las plantas convierten la luz solar en energía para su crecimiento, sirvió a Grätzel de inspiración. De acuerdo con el científico, que nació en Dorfchemnitz, Alemania, en 1944, las nuevas células solares que llevan su nombre emplean un pigmento similar al de las hojas de los árboles, absorbe la luz del sol y generan electrones. Para producir energía, estos electrones son recolectados y transportados por un material semiconductor, en este caso el dióxido de titanio.

Los dos galardonados están convencidos de que, ante la amenaza del cambio climático y la necesidad de producir energía renovable a gran escala, las nuevas líneas de investigación abiertas por su trabajo representan una de las posibles soluciones desde la ciencia y la tecnología

De acuerdo con el jurado, el gran aporte de Grätzel fue utilizar el dióxido de titanio en nanopartículas, y no en placas de células de silicio convencionales. Cada nanopartícula de dióxido de titanio se recubre del pigmento, y el resultado es un fluido con el que se fabrican las células solares. “Era la primera vez que se usaban nanopartículas para construir células fotovoltaicas, nadie lo había pensado antes”, ha explicado Grätzel por videoconferencia tras conocer el fallo. “La primera vez que lo probamos fue emocionante, nos sorprendió a nosotros mismos porque logramos una conversión de luz en energía miles de veces superior a la que esperábamos”.

Grätzel, que se graduó en Química en 1968 en la Universidad Libre de Berlín y se doctoró en Química Física en 1971 por la Universidad Técnica de Berlín, presentó su nueva célula solar fotovoltaica en 1991 en una publicación en Nature, que ha sido citada decenas de miles de veces y que ha dado origen a las células solares sensibilizadas por colorante, también conocidas simplemente por el nombre de su inventor: células de Grätzel.

Este desarrollo ha generado “miles de patentes” y “ha abierto todo un nuevo campo de investigación”, asegura el investigador. Las ventajas de estas células, según Grätzel, son múltiples: materias primas abundantes, un proceso de fabricación barato, transparencia –lo que permite ponerlas en ventanales–, flexibilidad y capacidad de obtener electricidad también de la luz ambiental, como la que hay en una habitación.

Nanocristales para pantallas de alta resolución

Los nanocristales de Alivisatos, también llamados puntos cuánticos, tienen cientos de aplicaciones, desde la búsqueda de nuevas fuentes de energía limpia hasta la electrónica de consumo y las técnicas de imagen biomédica. Según el investigador, que nació Chicago, Estados Unidos, en 1959, “un electrón en un nanocristal puede emitir luz, y el color de esa luz dependerá del tamaño del nanocristal. Si es pequeño, la energía de la luz será mayor, por lo que será una luz más azul. De esta manera se pueden usar nanocristales para hacer materiales que emitan todos los colores de la naturaleza”.

Una de sus aplicaciones de más éxito de los nanocristales de Alivisatos son los monitores desarrollados a mediados de los 90 y que hoy están incorporados en los televisores QLED. Alivisatos demostró que era posible fabricarlos con alta resolución y lograr que fueran a la vez muy eficientes en el uso de la energía. “En una pantalla a color”, señala el premiado, “siempre hay un rojo, azul y verde que interactúan dentro de nuestro ojo para reproducir todos los colores a nuestro alrededor”.

Además, en el campo de la biomedicina, Alivisatos y su grupo desarrollaron nanocristales para tinciones de muestras biológicas –ajustando el tamaño del nanocristal, el fluido puede etiquetar un tipo u otro de células–. Actualmente hay en el mercado cientos de productos basados en puntos cuánticos destinados a imagen biomédica.

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