Los paneles solares funcionan muy bien en condiciones de plena luz solar, pero muchas regiones tienen poca luz solar en un día determinado, lo que significa que se genera menos energía de la necesaria.Ahora los investigadores de Tufts han descubierto que un tipo particular de orquídea joya, que prospera en condiciones de poca luz, podría ofrecer una clave para resolver este problema.

Los profesores de la Escuela de Ingeniería Giulia Guidetti y Fiorenzo Omenetto informan, en unpapelapareciendo enMateriales ópticos avanzados, que las hojas de la orquídea joya Macodes petola están formadas por células en forma de cúpula que les permiten capturar más de tres veces más luz que las células de la "piel" de las plantas comunes y compartir esa luz con las células vecinas, actuando esencialmente como unred óptica.

Ese proceso de conexión en red maximiza la luz que la planta puede utilizar para convertir la luz solar enenergía química, imprescindible para su funcionamiento.

Los investigadores copiaron esos patrones celulares utilizando un biomaterial a base de proteína de seda, imitando las capacidades de recolección de luz y redes ópticas de la orquídea, y sugieren quepaneles solareshecho de tal material "iría más allá de las células solares flexibles que existen hoy", dice Omenetto, profesor de ingeniería Frank C. Doble y director de Silklab en Tufts.

Ahora Guidetti, profesor asistente de investigación en el Departamento de Ingeniería Biomédica, y Omenetto han recibido una subvención para investigar más a fondo la planta.cosecha de luzsistemas y la posibilidad de aplicar las redes ópticas de esos sistemas para avanzar en la eficiencia de la energía solar.

Un patrón intrigante

Guidetti descubrió las propiedades especiales de la planta.Durante la pandemia, dice, compró muchas plantas de interior, atraída especialmente por aquellas con hojas brillantes y de apariencia metálica, y se interesó en lo que las hacía así.

"Las puse bajo el microscopio y vi que la superficie de sus hojas no era plana, como las hojas normales, y que tenían un micropatrón", dice."Todo fue impulsado por la curiosidad".

Las plantas toman la luz solar y la convierten en glucosa, una forma de energía que sustenta toda la vida en la Tierra.Las células epidérmicas (o cutáneas) de las plantas son las encargadas de absorber la luz solar.

Los informes de botánica ya habían notado la forma cónica de esas células en algunas orquídeas joya, con la sugerencia de que podrían mejorar la eficiencia de concentrar la luz para maximizar la conversión en energía, necesaria para una planta que existe en la naturaleza en condiciones de poca luz.

Pero otros investigadores no habían investigado cómo la forma y disposición de las células podrían afectar su capacidad para fotosintetizar la energía luminosa, dicen Guidetti y Omenetto en su artículo.

Al observar muy de cerca las orquídeas joya Macodes petola, descubrieron que las células de la superficie no eran planas ni cónicas, como lo son muchas plantas, sino más bien cúpulas, dice Guidetti, subdirector del Silklab.

"La forma en que creemos que funciona es que la luz proviene de la parte superior, y en lugar de enfocarse solo dentro de la hoja donde están los cloroplastos, la presencia de las cúpulas básicamente permite que la luz se extienda sobre la superficie de la hoja, lo que permitetambién para que las células no iluminadas directamente realicen la fotosíntesis, lo que da como resultado una mayor eficiencia de fotoconversión en general", afirma.

Copiando los patrones de la naturaleza

Después de mapear los tipos de células de la superficie, sus conexiones y su variabilidad, los investigadores decidieron copiarlo.Aplicaron una fina capa de polímero de silicio a la superficie de las hojas, formando una réplica negativa de la superficie de las hojas.Luego vertieron sobre eso una mezcla transparente de proteína de seda, creando una copia exacta de la forma microscópica de los patrones celulares de las hojas.

Omenetto y otros investigadores de Silklab han utilizado la seda, producida por gusanos de seda y luego procesada en una solución a base de agua, para fabricar una amplia gama de productos, desde dispositivos electrónicos reabsorbibles hasta sensores biocompatibles.La seda también está disponible comercialmente a gran escala: alrededor de medio millón de toneladas al año se producen en granjas de gusanos de seda, afirma Omenetto.

La versión de la hoja a base de seda "reproducía fielmente" la forma redonda de las células vegetales junto con su disposición hexagonal y la "comunicación cruzada que se observa entre células vecinas cuando se iluminan conluz visible, similar al observado en las hojas de las plantas", escriben los investigadores.

Guidetti y Omenetto agregaron un tinte al material de seda utilizado en las réplicas de las hojas de la planta, lo que les permitió rastrear la luz a medida que pasaba de una celda a otra.El biomaterial también imita las curvas y la flexibilidad de las hojas, lo que nuevamente permite un mayor acceso a la luz y la capacidad de distribuirla a través de la hoja.

"Estas redes ópticas vivas basadas en plantas podrían servir como fuente de inspiración para el diseño de materiales funcionales que recolecten, manipulen y procesen la luz de manera eficiente con formatos de materiales que sean suaves, conformes y sostenibles, como se demuestra preliminarmente al replicar la estructura viva.de la hoja", escriben Guidetti y Omenetto.

Esta es "la primera demostración de redes ópticas en un sistema vivo, porque hasta donde sabemos, algo así no se ha reportado antes en ninguna planta de nadie: un sistema que puede gestionar la luz a través de un conjunto ordenado de lentes de células".", añade Omenetto.

Actualmente, los investigadores están examinando otras plantas de la familia de las orquídeas joya, comparando las formas de la planta.célulasa las que existen en condiciones de iluminación media y alta, y fabricando réplicas de la estructura de las hojas, buscando plantas que puedan captar la luz de forma aún más eficiente.

También planean experimentar para ver si cambiar las condiciones de iluminación que experimentan las orquídeas joya podría cambiar el funcionamiento de la red de luz compartida.