El laboratorio dirigido por David Beratan en Duke University tiene como objetivo descifrar los mecanismos de conversión de energía en los sistemas biológicos, con la intención de inspirar el desarrollo de tecnologías de energía limpia más eficientes.
Este enfoque busca replicar procesos naturales en dispositivos sintéticos y podría abrir la puerta a células solares de alto rendimiento, explicó Beratan en declaraciones recogidas por Duke University.
El propósito central de la investigación es comprender cómo organismos como plantas y animales manipulan la energía. Mientras que las plantas y otros organismos fotosintéticos transforman la luz solar y el aire en alimento, los animales se distinguen por su eficiencia al extraer energía de los alimentos.
Para el grupo de Beratan, desentrañar estos mecanismos presenta alternativas innovadoras para la producción de energía, un desafío clave en la transición hacia fuentes renovables.
Claves biológicas: bifurcación electrónica y transferencia de energía
Uno de los aspectos más destacados de los sistemas investigados radica en la forma en que gestionan el movimiento de electrones y protones. Todos los organismos vivos emplean una reacción conocida como bifurcación electrónica para transferir electrones.
En ella, dos electrones comparten el mismo espacio y, al separarse, uno conserva una gran cantidad de energía y el otro queda con muy poca. El electrón de alta energía puede utilizarse para generar compuestos que almacenan energía.
Beratan resaltó ante Duke University el gran interés en la capacidad de estas reacciones para entregar electrones en niveles energéticos precisos, evitando la generación excesiva de calor, que representa una de las principales fuentes de ineficiencia en los sistemas energéticos artificiales.
La replicación de estos procesos en el laboratorio supone un reto considerable. El equipo de Beratan, en colaboración con Michael Therien y Weitao Yang y con el apoyo del Departamento de Energía de Estados Unidos y la Fundación Keck, trabaja en la construcción de sistemas bioinspirados.
Estos dispositivos sintéticos persiguen utilizar la luz solar como detonante de la bifurcación electrónica, una hazaña aún no lograda en sistemas artificiales. Beratan indicó ante Duke University que, si bien el desafío es complejo, delinearon una estrategia junto al equipo de Therien para construir un sistema de bifurcación impulsado por la luz y probar sus ideas.
Sin embargo, advirtió que el proyecto se encuentra en fase inicial y no existen paneles ni células solares funcionales basados en esta tecnología.
Tiempo, inspiración y visión a largo plazo
A pesar de los retos, el investigador considera posible que en los próximos años exista un prototipo funcional de célula solar de eficiencia extraordinaria, basado en estos avances. Las estimaciones compartidas con Duke University indican que se necesitarán alrededor de cinco años para evaluar y materializar plenamente estas ideas, aunque el impacto potencial sería considerable.
La investigación fundamental que lidera Beratan suele caracterizarse por la paciencia y la visión a largo plazo. El propio científico evocó la figura de John Hopfield, su director de tesis en Caltech, quien en los años setenta desarrolló modelos matemáticos de memoria asociativa que, tras décadas de perfeccionamiento, sentaron las bases de la inteligencia artificial y el aprendizaje automático y le valieron el Premio Nobel de Física en 2024. Beratan recordó cómo Hopfield dedicó décadas a perfeccionar sus ideas, transformando finalmente el campo de la ciencia.
Inspirado por este ejemplo, Beratan sostiene que los frutos de la investigación fundamental pueden tardar años o décadas en madurar, pero su valor reside en la posibilidad de que el conocimiento acumulado transforme la sociedad a través de avances tecnológicos.
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