Fotosíntesis artificial: científicos suizos imitan la naturaleza y crean una molécula que convierte luz solar en energía

La fotosíntesis (del griego: foto, “luz”, y synthesis, “composición” es, desde hace miles de millones de años, el motor bioquímico que permite la vida en la Tierra. Gracias a ella, las plantas, algas y algunas bacterias convierten la luz solar en energía química almacenada en azúcares y biomasa.

En la fotosíntesis, el proceso inicia con una transferencia de electrones clave, un fotón de luz excita a una molécula de clorofila, que cede un electrón a un aceptador. Esa separación de cargas genera la corriente inicial que, a través de cadenas moleculares, permite fabricar compuestos energéticos como el ATP (adenosín trifosfato) o el NADPH (dinucleótido de nicotinamida y adenina).

El desafío de imitar la fotosíntesis en el laboratorio

Los investigadores en química y energía han intentado replicar este mecanismo para producir ‘combustibles solares’ como el hidrógeno, metanol, etc., capaces de sustituir al petróleo y al gas natural. Sin embargo, reproducir la eficiencia de la fotosíntesis ha sido un desafío enorme. La mayoría de los sistemas creados en laboratorio se limitaban a transferir un único electrón, un paso insuficiente para iniciar reacciones químicas complejas como la reducción del CO₂ o la división del agua en hidrógeno y oxígeno.

Otra dificultad ha sido la necesidad de usar reactivos sacrificiales (sustancias que se corroen o sacrifican para proteger a otra estructura), con sustancias que, en cada ciclo, actúan como donantes (agente reductor) o aceptores de electrones (agente oxidante), pero se consumen y degradan, lo cual resulta poco práctico para un sistema sostenible.

Esto hacía que, a pesar de los avances, los prototipos anteriores nunca pasaran de ser “juguetes de laboratorio” sin aplicación real. Por eso, la pregunta central era: ¿cómo lograr que una sola molécula acumule varias cargas eléctricas estables sin ayuda externa y con luz de baja intensidad, como la del sol?

Progreso con la acumulación múltiple de cargas en una molécula diseñada

La respuesta comienza a vislumbrarse gracias al trabajo del grupo de Oliver Wenger, en la Universidad de Basilea (Suiza). Su equipo, liderado por el investigador doctoral Mathis Brändlin, diseñó una molécula artificial inspirada en la arquitectura de los sistemas fotosintéticos naturales. Lo innovador es que esta molécula puede almacenar cuatro cargas simultáneamente: dos positivas y dos negativas, todas inducidas por luz.

La estructura está organizada como un pequeño tren molecular compuesto por cinco vagones conectados en serie. En un extremo se ubican dos unidades donadoras, que pierden electrones cuando se excitan y quedan cargadas positivamente. En el otro extremo se sitúan dos unidades aceptoras, que capturan esos electrones y quedan cargadas negativamente. En el centro se encuentra un fotosensibilizador, la pieza clave, que absorbe los fotones y desencadena el proceso.

El diseño modular permite que, cada vez que la molécula recibe luz, se produzca una transferencia electrónica ordenada. Las cargas positivas viajan hacia un extremo y las negativas hacia el otro, evitando que se recombinen de inmediato. De este modo, la molécula funciona como una pequeña “batería solar molecular” capaz de acumular energía lista para ser utilizada en reacciones posteriores.

El hallazgo es trascendente porque muestra que es posible superar la limitación de los sistemas previos, que apenas conseguían mover un electrón. En la naturaleza, los complejos fotosintéticos mueven muchos electrones a la vez; ahora, por primera vez, un sistema artificial logra acercarse a esa sofisticación.

Cómo funciona el dispositivo

El mecanismo de esta molécula es particularmente ingenioso. No alcanza con un solo destello de luz para generar el estado de carga múltiple, se necesita un doble disparo.

1. El primer pulso de luz excita al fotosensibilizador, que transfiere un electrón a un aceptor y arranca un hueco (carga positiva) en un donador. En ese momento la molécula tiene una separación simple de cargas.
2. Un segundo pulso de luz, absorbido nuevamente por el fotosensibilizador, repite el ciclo y duplica la separación de cargas. Como resultado, la molécula llega a un estado con dos cargas positivas y dos negativas simultáneamente.

Un detalle fascinante es que este sistema funciona con luz tenue, incluso cercana a la intensidad de la luz solar real. Experimentos anteriores requerían láseres extremadamente potentes, imposibles de aplicar en condiciones prácticas. En cambio, el diseño suizo muestra eficiencia en condiciones más realistas, lo cual acerca la posibilidad de aplicaciones a gran escala.

Excitación en dos pasos y eficiencia bajo luz tenue

Esta molécula logra mantener estas cargas separadas por más de 100 nanosegundos. En el mundo molecular, ese lapso es lo suficientemente largo como para que se produzcan reacciones químicas útiles, como la división del agua o la reducción del CO₂. Esto significa que no solo acumula energía, sino que lo hace durante el tiempo necesario para “entregarla” a procesos posteriores.

El balance energético también es positivo: la molécula almacena alrededor de 3 electronvoltios (eV), lo cual representa una cantidad significativa para una sola entidad molecular. La eficiencia cuántica del sistema se sitúa en torno al 37 %, una cifra alta para este tipo de experimentos.

Resultados y perspectivas a futuro

El avance suizo representa un paso esencial en la carrera hacia la fotosíntesis artificial. Por primera vez, se demuestra que una molécula individual puede acumular múltiples cargas en condiciones realistas y sin ayuda de reactivos sacrificiales.

Sin embargo, es importante aclarar que este sistema aún no es capaz de producir combustibles solares. La molécula acumula energía, pero todavía falta integrarla en un ciclo completo que permita, por ejemplo, dividir agua en oxígeno e hidrógeno o reducir dióxido de carbono para fabricar metanol. Los autores del trabajo lo describen como “una pieza clave del rompecabezas”, que deberá combinarse con otros avances para cerrar el círculo de la fotosíntesis artificial.

Las perspectivas son alentadoras. Si se logra conectar esta acumulación de cargas con catalizadores eficientes, podríamos obtener sistemas capaces de producir combustibles líquidos o gaseosos directamente a partir de la luz solar. Se trataría de un cambio revolucionario: combustibles carbono-neutrales que imitan el ciclo natural, pero sin necesidad de esperar millones de años como ocurrió con el petróleo o el gas.

Además, este tipo de investigación no solo impulsa la búsqueda de energías limpias, sino que también enriquece nuestro entendimiento de los propios procesos naturales. Comprender cómo la naturaleza maneja los electrones en escalas tan pequeñas es una fuente de inspiración continua para la química, la biología y la ingeniería de materiales.

El equipo de Basilea ya planea explorar variantes moleculares con otros sensibilizadores y unidades donadoras/aceptoras, buscando aumentar el tiempo de vida de las cargas y su eficiencia. También se apunta a escalar estos resultados hacia sistemas en estado sólido, más cercanos a dispositivos reales.

En un contexto global donde la transición energética es urgente, avances como este muestran que la ciencia básica puede abrir caminos insospechados. Lo que hoy es una molécula en un laboratorio suizo, mañana podría ser la base de una industria de combustibles solares que reemplace a los fósiles y ayude a combatir el cambio climático.

Referencia de la noticia

Brändlin, M., et al. "Photoinduced double charge accumulation in a molecular compound". Nature Chemistry. 25 de agosto de 2025.