Diatomeas, el alga que fabricó vidrio mucho antes que los humanos

El formato “Science Images” permite descifrar una fotografía que es particularmente significativa desde el punto de vista científico, describirla y comprender sus desafíos.

Esta asombrosa arquitectura es la punta rota de una diatomea, una microalga fotosintética que apareció en la tierra, o mejor dicho, en el mar, hace unos 200 millones de años. Las diatomeas, con su nombre científico “Bacillariophyceae”, son comunes en todas las aguas del mundo, frescas, saladas o salobres y más abundantes en aguas frías. Se conocen más de 100.000 especies. Constituyen uno de los Los sumideros de carbono más grandes de la Tierra (el fitoplancton absorbe el 40% del CO_dos en la tierra y emite el 60% de dioxígeno), muy por delante de los bosques, y así participa en la lucha contra el calentamiento global.

Pero tienen mucho más que ofrecernos. De hecho, con ciertas esponjas, son los primeros “vidrieros” de la Tierra, porque su “caparazón”, o frústula, es en realidad una jaula de vidrio. En los humanos, atribuimos a los mesopotámicos el descubrimiento del vidrio translúcido, alrededor del 4.500 a. C.: al llevar la arena y la soda a más de 1.000 grados, lograron fundirlos en una pasta viscosa y transparente. Las técnicas han evolucionado mucho desde entonces, pero una cosa no ha cambiado: tienes que calentar a una temperatura muy alta.

Las diatomeas (y las esponjas) muestran que es posible fabricar vidrio a temperatura ambiente, abriendo el camino para lo que ahora se llama química suave. El proceso “sol-gel” ahora se comprende y se domina bien: una molécula de ácido silícico Si (OH) 4 presente de forma natural en el agua se descompone en dióxido de silicio (vidrio o sílice) y dos moléculas de agua. La sílice así obtenida es utilizada por la diatomea en forma de nanoperlas para fabricar su frústula, una jaula de vidrio transparente, que permite el paso de la luz para permitir la fotosíntesis, y perforada para intercambiar nutrientes con el exterior.

Los vidrios que fabricamos industrialmente imitando diatomeas ya no se basan solo en silicio. Se fabrican dióxido de titanio (TiO2) y zirconia (ZrO2) para óptica, óxidos de aluminio (Al2O3) y tungsteno (WO3) para diversas aplicaciones industriales (electrocrómicos, materiales refractarios, etc.). Estos vidrios encuentran muchas aplicaciones, por ejemplo nanocápsulas para el transporte de fármacos en el cuerpo o películas resistentes al rayado para óptica.

Pero estas pequeñas algas tienen mucho más que enseñarnos. Han dominado la luz como ningún otro y han estado practicando la fotónica desde el principio de los tiempos, esta nueva ciencia que desarrollamos hace apenas unas décadas. Hacer fotónica es jugar con la luz, manipularla, ralentizarla, confinarla … Para eso tenemos que construir objetos muy concretos, con una estructura periódica. El período de la estructura fotónica debe ser del mismo orden de magnitud que el de la luz (la luz es una onda, por lo tanto periódica), o incluso menor, es decir, cien nanómetros. Difícil. Pero eso es lo que hace esta pequeña alga, como podemos ver en la foto de abajo.

Esto le da a las diatomeas frústulas muchas propiedades ópticas. Pueden, por ejemplo, filtrar los dañinos rayos ultravioleta para la planta, pero también concentrar la luz en el eje de la diatomea, promoviendo la fotosíntesis. Las diatomeas, por lo tanto, inventaron el gafas difractivas.

Nuestro grupo de investigación ahora imagina que podría ser posible utilizar esta propiedad para enfocar la luz en el área sensible de los paneles solares fotovoltaicos para aumentar la eficiencia al depositar una monocapa esférica de diatomeas en la superficie.