El Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en Ciencias Básicas ha sido concedido en su decimotercera edición a Paul Alivisatos (Universidad de California en Berkeley, EEUU) y Michael Grätzel (Escuela Politécnica Federal de Lausana, Suiza) por sus contribuciones fundamentales al desarrollo de nuevos nanomateriales que ya se están aplicando hoy tanto en la producción de energía renovable como en la electrónica de última generación. 

“El trabajo rompedor de Grätzel incluye la invención de un tipo de célula solar sensibilizada por colorante, que lleva su nombre”, señala el acta del jurado, y “Alivisatos ha logrado aportaciones pioneras utilizando nanocristales semiconductores para aplicaciones en energía y visualización en pantallas”. La forma en que la luz interacciona con la materia lleva siglos fascinando a los científicos, y el esfuerzo por controlar esa interacción al máximo detalle está en la base de poderosas tecnologías en la actualidad. Alivisatos y Grätzel son pioneros en controlar la pareja luz-materia, actuando sobre esta última mediante el uso de nanomateriales. El jurado los reconoce por ser figuras clave en la ciencia fundamental que ha permitido “el uso de nanoestructuras para la conversión de energía”.

Grätzel fue el primero en  combinar sistemas moleculares y nanopartículas para fabricar un nuevo tipo de células solares que imitan la fotosíntesis, acercando el objetivo de convertir la luz del sol en una fuente de electricidad limpia, eficiente y barata a gran escala. Alivisatos ha empleado nanocristales con apenas unos miles de átomos, los llamados ‘puntos cuánticos’, para emitir luz cuyo color puede ser controlado de manera muy precisa. Ha usado estos nanocristales también para buscar nuevas fuentes de energía renovable y en el presente la aplicación más avanzada de su trabajo es una nueva generación de pantallas que incorporan puntos cuánticos para lograr una alta calidad cromática y ya se comercializan como televisores QLED, de Quantum Dot LED. 

En cierto modo, ha explicado Alivisatos por videoconferencia tras conocer el fallo, “Michael ha investigado más en cómo convertir en electricidad la luz que entra en el sistema, mientras que las aplicaciones derivadas de mi trabajo tienen que ver más con cómo convertir la energía en luz que sale del sistema, y que la gente puede usar”.

Imitar la fotosíntesis

La fotosíntesis, el proceso por el que las hojas de las plantas convierten luz solar en materia orgánica –que no es sino una manera de almacenar energía–, es el proceso natural que sirvió a Grätzel de inspiración. Para sacar el máximo provecho de la luz visible, las plantas emplean clorofila y otros pigmentos; la estructura de la molécula de clorofila es tal, que al ser iluminada por los fotones del sol emite electrones, y se desencadenan así las reacciones químicas para construir, con agua y dióxido de carbono, materia orgánica. Las células solares de Grätzel también emplean un pigmento que hace la función de la clorofila, es decir, absorbe la luz del sol y genera electrones. Estos electrones son recolectados y transportados por un material semiconductor, por ejemplo el dióxido de titanio.

La gran aportación de Grätzel fue disponer el dióxido de titanio en nanopartículas, en lugar de en placas, como las células de silicio convencionales. Cada nanopartícula de dióxido de titanio se recubre del pigmento, y el resultado es un fluido que contiene las nanopartículas con el que se fabrican las células solares. “Era la primera vez que se usaban nanopartículas para construir células fotovoltaicas, nadie lo había pensado antes”, ha explicado Grätzel por videoconferencia tras conocer el fallo. “La primera vez que lo probamos fue emocionante, nos sorprendió a nosotros mismos porque obtuvimos una respuesta [de conversión de luz en energía] miles de veces superior a la que esperábamos”.

Presentaron su nueva célula solar fotovoltaica en 1991 en una publicación en Nature –‘A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films’–, que ha sido citada decenas de miles de veces y que ha dado origen a las llamadas DSSC, siglas en inglés de células solares sensibilizadas por colorante, también conocidas simplemente por el nombre de su inventor: células de Grätzel.

Este desarrollo ha dado lugar a “miles de patentes”, señala el propio galardonado, y “ha abierto todo un nuevo campo de investigación”. Las ventajas de estas células, según Grätzel, son múltiples: materias primas abundantes, un proceso de fabricación barato, transparencia –lo que permite ponerlas en ventanales–, flexibilidad y capacidad de obtener electricidad también de la luz ambiental, como la que hay en una habitación. En 2013 el centro de congresos del campus del EPFL creó con ellas uno de sus ventanales, de gran colorido.

La eficiencia de estas células es aproximadamente un 15% menor que la de las células convencionales de silicio. Pero este inconveniente podría superarse pronto con otro tipo de células que emergieron de las de Grätzel: las células de perovskita. Este material, que también parte de un líquido y que por tanto es apto para superficies flexibles, empezó a usarse en 2009 y en menos de una década se han conseguido eficiencias del 25%. Grätzel, que ha tenido un papel muy relevante en la investigación de las células de perovskita, asegura que “el aumento tan rápido de eficiencia de la perovskita no se ha visto en ningún otro material”. Son cifras ya comparables a las placas convencionales de silicio.

Al margen del grado de implantación que acaben logrando las células de Grätzel, el jurado reconoce la capacidad de su trabajo para abrir nuevas líneas de investigación que emplean nanomateriales en el campo de las energías renovables.

Nanocristales para pantallas de alta resolución

Los nanocristales de Alivisatos, también llamados puntos cuánticos (quantum dots), están igualmente en la base de numerosas aplicaciones, desde la búsqueda de nuevas fuentes de energía limpia hasta la electrónica de consumo y las técnicas de imagen biomédica. El galardonado ha sido clave en el desarrollo de los nanocristales mismos, como una nueva clase de macromolécula que puede ser estudiada, controlada y usada ampliamente –en fluidos, como las nanopartículas de Grätzel–.

Controlar con alta precisión el tamaño del nanocristal implica controlar el color de la luz que emite, como explica el galardonado: “Un electrón en un nanocristal puede emitir luz, y el color de esa luz que emite dependerá del tamaño del nanocristal. Si es más bien pequeño, la energía de la luz será mayor, por lo que será una luz más azul. Y de esta manera se pueden usar nanocristales para hacer materiales que emitan todo el arcoíris de colores; un arcoíris tan grande que contenga todos los colores de la naturaleza”. Una de sus aplicaciones de más éxito son los monitores desarrollados a mediados de los noventa y que hoy están incorporados en los televisores QLED. Alivisatos demostró que era posible fabricarlos con alta resolución y lograr que fueran a la vez muy eficientes en el uso de la energía.

“En una pantalla a color”, señala el premiado, “siempre hay un rojo, azul y verde que pueden ser excitados. Y esos colores interactúan dentro de nuestro ojo para reproducir todos los colores a nuestro alrededor. Cuando metemos puntos cuánticos en un televisor, el tamaño de la partícula se puede usar para sintonizar con precisión el color, para que coincida con el mejor punto de energía, que coincide con los receptores en nuestro ojo. Es un ejemplo que permite, por ejemplo, a artistas y fotógrafos lograr una mejor reproducción del color, pero también da como resultado una eficiencia altísima para las pantallas, por lo que consumen menos energía y se pueden utilizar en una variedad de nuevas aplicaciones”.

Además, en el campo de la biomedicina, Alivisatos y su grupo desarrollaron nanocristales para tinciones de muestras biológicas –ajustando el tamaño del nanocristal, el fluido puede etiquetar un tipo u otro de células–. De hecho, actualmente hay en el mercado cientos de productos basados en puntos cuánticos destinados a imagen biomédica.

La faceta medioambiental de los nanomateriales

Ambos galardonados están convencidos de que, ante la grave amenaza del cambio climático y la necesidad de producir energía renovable a gran escala, las nuevas líneas de investigación abiertas por su trabajo en el campo de los nanomateriales representan una de las posibles soluciones desde el ámbito de la ciencia y la tecnología.

“El cambio climático”, señala Grätzel, “es en efecto un gran desafío. Debemos reducir nuestro uso de combustibles fósiles y la energía fotovoltaica tiene que aumentar su capacidad por un factor de 200 en las próximas décadas. Por tanto, necesitamos nuevas tecnologías, y la célula sensibilizada por colorante ha llevado a la creación de la nueva célula de perovskita, cuya eficiencia en pruebas piloto ya está superando a las células convencionales de silicio”.

Alivisatos, por su parte, está convencido de que los nanomateriales aún no han demostrado todo su potencial, y que tendrán un papel clave para abordar el gran reto medioambiental de nuestro tiempo: “El cambio climático es uno de los mayores desafíos a los que se enfrenta la humanidad, y parte de ese reto implica aprender a fabricar nuevos materiales que puedan captar la energía del sol, con las menores pérdidas posibles de energía, y además hacerlo a gran escala. Hemos comprobado que los nanomateriales se pueden fabricar con una calidad altísima y a un coste relativamente bajo. Se pueden usar para absorber la luz del sol, y que al hacerlo no pierdan energía en forma de calor, lo que permite una conversión más eficiente en electricidad. Michael Grätzel ya ha mostrado algunos usos de los nanomateriales en la energía solar, pero veremos muchos más a lo largo de los próximos años”.