Hojas y energía limpia

Nuestro éxito con el tema energético en las próximas décadas va a marcar el futuro de nuestra sociedad. Nadie duda que una de las fuentes energéticas más prometedoras es el hidrógeno (limpia y con un origen ubicuo, barato y casi eterno: el agua). De ahí la excitación por las posibilidades para viajes en el sistema solar de encontrar agua fuera nuestro planeta. Pues bien, en este planeta, hay un grupo de seres que consiguen obtener hidrógeno del agua en cantidades ingentes: las plantas. Las hojas de las plantas han evolucionado durante millones de años para capturar la energía solar de una forma altamente eficiente. El oxígeno liberado y los azúcares producidos a partir de la energía solar son el sustrato de la mayor parte de la vida en este planeta, incluido por supuesto la nuestra. Un grupo de la Universidad Jiao Tong de Shanghai ha decidido aprovechar la estructura tisular de las plantas para producir minifactorías de hidrógeno. El investigador principal Tongxiang Fan ha dicho que “usar la luz solar para romper moléculas de agua y producir combustible de hidrógeno es una de las tácticas más prometedores para abandonar nuestra dependencia de los hidrocarburos”. Hasta ahora, lo que se intentaba era copiar el sistema molecular de la fotosíntesis, modificando o imitando las moléculas que hacen la fijación de CO2 y la hidrólisis. Ahora se sube un nivel y se intenta aprovechar la citoarquitectura de la hoja (estructura y organización de sus células y tejidos). La hoja es un órgano con una compleja estructura tridimensional, pensada para pesar poco, maximizar la superficie útil y aprovechar al máximo la luz incidente. Fan han utilizado las hojas como molde espacial de estructuras catalíticas artificiales, del siguiente modo:

Trató las hojas con ácido clorhídrico diluido. Esto reemplaza el magnesio de la clorofila por hidrógeno.
Pasó las hojas por tricloruro de titanio, que reemplaza ese hidrógeno con titanio.
Secó las hojas y las calentó a 500 ºC para eliminar la materia orgánica.

Lo que este proceso consigue es formar una matriz de dióxido de titanio con la arquitectura foliar. El dióxido de titanio se usa en las placas solares y en la hoja artificial cataliza la ruptura de las moléculas de agua, obteniendo hidrógeno y oxígeno.

Entre las características estructurales que se mantienen son la disposición “celular” en forma de lente de la epidermis foliar, la superficie de la hoja, que captura luz proveniente de cualquier ángulo y la estructura de venas que ayuda a guiar la luz hacia el interior de la hoja, aprovechando al máximo su volumen. Las réplicas también mantienen detalles subcelulares, como son los tilacoides, sacos donde tiene lugar la fotosíntesis, con un espesor de 10 nm y una extensa distribución dentro de los cloroplastos. Esto incrementa enormemente la superficie de acción de los catalizadores de titanio. La publicación de Fan en la revista Advanced Materials indica que las “estructuras foliares artificiales”, comparadas con una preparación comercial de dióxido de titanio usada hasta ahora (p25) absorben más del doble de luz y producen más del triple de hidrógeno. Y es que la Biología es una maravilla.