¿Cómo hace la química a nanoescala que las luciérnagas brillen intensamente?

Blog original en inglés por Laura Kesner
Originalmente publicado 10 de Julio 2018
Traducio por Mariah Dooley; editado por Curtis Green

Los Estados Unidos celebró el Día de su Independencia la semana pasada, y la mayoría de la gente en los Estados Unidos probablemente logró ver algunos fuegos artificiales. Además de los fuegos artificiales, una de mis cosas favoritas en esta época del año es otro tipo de espectáculo de luces: ¡luciérnagas! Hay algo casi irreal sobre luciérnagas en un campo en una noche tranquila de verano. Cuando era niña, me encantaba atraparlos y ponerlos en un frasco. Hacía agujeros en la tapa y miraba las luciérnagas por un rato mientras se arrastraban por el costado y volaban alrededor, y luego los soltaba de nuevo. Siempre me preguntaba cómo brillaban sus linternas, y cómo son tan brillantes que puedes verlas a través de un gran campo.

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Luciérnagas de Catskills (Imagen por s58y)

Resulta que la fuente de luz en las linternas de luciérnagas es una reacción química en la que una molécula orgánica llamada luciferina reacciona con adenosina trifosfato (una fuente de energía en los organismos), la enzima luciferasa y oxígeno para formar una sustancia química diferente llamada oxiluciferina1. La ecuación de la reacción se ve así:

luciferin + ATP + luciferase + O2 → oxyluciferin* + AMP + CO2 + luciferase

Observe ¿cómo la luciferasa está en ambos lados de la ecuación? Eso se debe a que es un catalizador: acelera la reacción, pero el proceso no lo consume. AMP (monofosfato de adenosina) es lo que ATP se convierte después de que se utiliza para obtener energía. La oxiluciferina tiene un asterisco (*), lo que significa que tiene un electrón en estado excitado, y esta es la clave de por qué brillan las luciérnagas.

Ya hemos hablado sobre los estados de energía de los electrones anteriormente en el blog, como en esta publicación. Piense en niveles de energía como peldaños en una escalera, aunque no espaciados uniformemente. El nivel inferior de energía es el estado base, y todos los demás son estados “excitados” de mayor energía. A los electrones no les gusta estar en estado excitado: prefieren estar en el estado fundamental, por lo que tienden a regresar allí cuando se ponen en estado de excitación.

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Los electrones (e-) en estados excitados prefieren regresar a los estados base. (Imagen de Laura Satterfield)

La energía del estado excitado no puede simplemente desaparecer cuando el electrón realiza el salto al estado base, por lo que el electrón libera energía en forma de un paquete de luz llamado fotón (¡revisa esta publicación en el blog para obtener más información sobre fotones y luz!). Y entonces tenemos otro proceso que podemos escribir en forma de una ecuación:

oxyluciferin* → oxyluciferin + luz

Cuantos más electrones hacen este salto y emiten un fotón, cuanto más brillante sea la luz. Entonces, podrías pensar que con este entendimiento del oxyluciferin, el resplandor de una luciérnaga está totalmente explicado. Pero resulta que la luz de una luciérnaga es más brillante de lo que se podría esperar, según cuán pequeñas sean las luciérnagas: ¡tienen tanto oxyluciferin! Entonces, ¿qué hace que su luz sea tan brillante? En un artículo reciente2,  investigadores descubrieron que se trata de la estructura de la linterna de luciérnaga. La parte de la linterna donde se produce la reacción está protegida por una capa de cutícula, que tiene una forma que hace que la luz sea más brillante. ¡Vamos a acercarnos y echar un vistazo!

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Imagen de microscopio electrónico de cutícula “escalas” en la linterna de luciérnaga. (Modificado con el permiso de Kim et al. (2016)2

Como se puede ver en la imagen del microscopio anterior, la cutícula tiene pequeñas estructuras similares a escamas superpuestas de aproximadamente 10 micrómetros (µm) de ancho -alrededor de 1/5 del ancho de un cabello humano promedio- y con una ligera inclinación desde la superficie, aproximadamente 5°. Cada escala tiene crestas longitudinales de 150 nanómetros (nm) de ancho y 110 nm de profundidad, ¡aproximadamente 400 veces más pequeñas que el ancho de un cabello! Estas estructuras doblan la luz para que se pueda ver más desde más ángulos de visión que si la cutícula fuera una capa lisa, como pequeñas lupas, haciendo que la luz sea más brillante. Las luciérnagas usan estas luces para comunicarse entre ellos, por lo que la luz más brillante les permite gritar metafóricamente de una a la otra a través del campo (donde naturalmente viven las luciérnagas).

Esta estructura de la cutícula de luciérnaga es similar a la forma estriada de la lente cucubanoen una luz de faro, aunque las lentes de faro también están diseñadas para enfocar la luz en una determinada dirección. Estas lentes se llaman lentes Fresnel, en honor del científico francés que las desarrolló a principios de 18003.

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La lente Fresnel en un faro amplifica la luz detrás de ella, algo así como la cutícula de una luciérnaga hace que su luz basada en oxiluciferina parezca más brillante. (Imagen de Manfred Schmidt)

Entonces, eso es genial para las luciérnagas y los faros, pero ¿lo puede ayudar al resto de nosotros? La respuesta es sí, debido a una frase que estamos viendo en todas partes: la eficiencia energética. Cuanto más eficiente sea la energía, más se convertirá la energía en su propósito previsto. Toma una bombilla, por ejemplo: queremos que la bombilla produzca luz, pero no energía que no podemos usar o no queremos, como el calor de una bombilla incandescente. Cuando la conversión de energía es más eficiente, y cuando la fuente de luz es más brillante, se necesita menos energía para tener el mismo brillo que una bombilla menos eficiente.

Probablemente hayas oído de los diodos emisores de luz (LED), esas bombillas de bajo consumo que dura mucho más que las bombillas incandescentes. Los LED no producen tanto calor como las bombillas incandescentes, por lo que una mayor parte de la energía utilizada se destina a la producción de luz; por lo tanto, son más eficientes energéticamente. Los LED orgánicos (OLED) usan moléculas orgánicas y pueden ser incluso más eficientes en energía que otros tipos de LED. También son más delgados y más flexibles. Los OLED se usan actualmente en las pantallas de teléfonos y cámaras digitales, pero su flexibilidad podría incluso hacerlos utilizables para dispositivos plegables en el futuro.4

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Para producir aproximadamente la misma cantidad de luz, la bombilla LED de la izquierda usa solo 7,5 vatios en comparación con los 60 vatios de energía de la bombilla incandescente menos eficiente de la derecha. (Imagen modificada de trenttsd)

Con la motivación de fuentes de luz más brillantes y más eficientes desde el punto de vista energético, los científicos han recurrido a las luciérnagas en busca de inspiración en un diseño para OLED. En el mismo documento discutido anteriormente, los investigadores crearon un molde basado en la estructura de la cutícula de las luciérnagas usando fotolitografía (grabando pequeñas características utilizando la luz, explicadas más en esta publicación del blog). Tuvieron que usar fotolitografía porque ninguna herramienta física es lo suficientemente pequeña como para cortar esos surcos. Echan una resina (plástico líquido que luego se endurece) en este molde para formar la capa externa del OLED. Comparado con el mismo diseño OLED con una superficie lisa, el OLED con el diseño inspirado por luciérnaga era hasta un ¡61% más brillante!2  (¡Compruébalo abajo!) ¡Imagina la reducción de nuestras facturas de electricidad si usamos bombillas inspiradas en luciérnagas!

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LED de superficie lisa (izquierda) frente a LED de inspiración de luciérnaga (derecha) (Imagen utilizada con permiso de Kim et al. (2016))

Si nunca ha visto un campo de luciérnagas, ve a ver uno si tiene la oportunidad. Tal vez más tarde recordarás que son tan brillantes debido a las estructuras de tamaño nanométrico, pero por el momento, simplemente maravíllate con una de las vistas más bellas del verano.


RECURSOS EDUCATIVOS (en inglés)


REFERENCIAS

  1. Branchini, B. R.; Behney, C. E.; Southworth, T. L.;  Fontaine, D. M.;  Gulick, A. M.;  Vinyard, D. J.; Brudvig, G. W., Experimental Support for a Single Electron-Transfer Oxidation Mechanism in Firefly BioluminescenceJournal of the American Chemical Society 2015,137(24), 7592-7595.
  2. Kim, J. J.; Lee, J.; Yang, S. P.; Kim, H. G.; Kweon, H. S.; Yoo, S.; Jeong, K. H. Biologically Inspired Organic Light-Emitting DiodesNano Lett201616, pp. 2994−3000
  3. Woodford, C. Fresnel Lenseshttps://www.explainthatstuff.com/fresnel-lenses.html. Updated December 1, 2017.
  4. Freudenrich, C. How OLEDs Workhttps://electronics.howstuffworks.com/oled.htm (accessed June 1, 2018).

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