Las nanoestructuras de los respiraderos hidrotermales pueden imitar procesos vitales, guiar iones y generar energía, contribuyendo al origen de las teorías de la vida y a la tecnología de la energía azul. Un equipo de científicos ha descubierto nanoestructuras inorgánicas alrededor de respiraderos hidrotermales de aguas profundas que tienen un parecido sorprendente con las moléculas de la vida tal como la conocemos. Estas nanoestructuras están autoorganizadas y funcionan como canales iónicos selectivos que pueden generar energía y aprovecharla en forma de electricidad. Este descubrimiento no sólo podría afectar nuestra comprensión del origen de la vida, sino que también podría tener aplicaciones en la recolección industrial de energía azul.
La investigación, dirigida por Ryuhei Nakamura del Centro de Ciencias de Recursos Sostenibles (CSRS) de RIKEN y el Instituto de Ciencias de la Vida Terrestre (ELSI) del Instituto Tecnológico de Tokio, se publicó recientemente en Nature Communications.
sistema de geoenergía
A medida que el agua de mar se filtra profundamente en la Tierra a través de grietas en el fondo del océano, el magma la calienta, sube a la superficie y se libera nuevamente al océano a través de grietas llamadas respiraderos hidrotermales. El agua caliente que se eleva contiene minerales disueltos obtenidos de las profundidades de la tierra, y cuando encuentra agua de mar fría, las reacciones químicas expulsan los iones minerales del agua, formando estructuras sólidas llamadas sedimentos alrededor de los respiraderos.
Conversión de energía osmótica en la naturaleza.
Las fuentes hidrotermales son consideradas la cuna de la vida en la Tierra porque proporcionan las condiciones necesarias: estables, ricas en minerales y fuente de energía. La mayor parte de la vida en la Tierra depende de la energía osmótica, que se genera mediante gradientes iónicos (diferencias en las concentraciones de sal y protones) dentro y fuera de las células vivas.
Los investigadores de RIKEN CSRS estudiaron los respiraderos hidrotermales alojados en serpentinas porque los depósitos minerales de estos respiraderos tienen una estructura en capas muy compleja formada a partir de óxidos, hidróxidos y carbonatos metálicos.
"Hemos descubierto inesperadamente que la conversión de energía osmótica, una función importante de la vida vegetal, animal y microbiana moderna, puede ocurrir de forma abiótica en ambientes geológicos", dijo Nakamura.
Observación experimental de canales iónicos.
Los investigadores están estudiando muestras recolectadas de un nuevo campo de filtración marina ubicado a una profundidad de 5.743 metros en la Fosa de las Marianas en el Océano Pacífico. La microscopía óptica y el escaneo de rayos X a escala micrométrica muestran que los cristales de lapislázuli están dispuestos en columnas continuas y son nanocanales para el fluido del chorro.
Los investigadores notaron que la superficie del precipitado estaba cargada, y la magnitud y dirección de la carga (positiva o negativa) variaban a lo largo de la superficie. Los investigadores sabían que los nanoporos estructurados con carga variable eran un sello distintivo de la conversión de energía osmótica, por lo que a continuación probaron si la conversión de energía osmótica realmente ocurre naturalmente en rocas inorgánicas de aguas profundas.
mecanismo de transporte de iones
El equipo utilizó electrodos para registrar la corriente y el voltaje de la muestra. Cuando la muestra se expone a altas concentraciones de cloruro de potasio, la conductancia es proporcional a la concentración de sal en la superficie del nanoporo. Sin embargo, en concentraciones más bajas, la conductancia es constante en lugar de proporcional y está determinada por la carga local en la superficie precipitada. Este transporte de iones gobernado por carga es muy similar a los canales iónicos dependientes de voltaje que se observan en células vivas como las neuronas.
Al probar las muestras con gradientes químicos encontrados en las profundidades del océano, los investigadores pudieron demostrar que los nanoporos funcionaban como canales iónicos selectivos. Cuando el carbonato está adherido a la superficie, los nanoporos permiten que fluyan iones de sodio positivos. Sin embargo, en los nanoporos con calcio adherido a la superficie, los poros solo permiten el paso de iones de cloruro negativos.
Ryuhei Nakamura dijo: "La formación espontánea de canales iónicos descubiertos en respiraderos hidrotermales de aguas profundas tiene implicaciones directas para el origen de la vida en la Tierra y en otros lugares. En particular, nuestro estudio muestra cómo la conversión de energía osmótica, una función importante de la vida moderna, ocurre abióticamente en ambientes geológicos".
Impacto en la recolección de energía azul
Las centrales eléctricas industriales aprovechan el gradiente de salinidad entre el agua de mar y el agua de río para generar energía, un proceso conocido como recolección de energía azul. Nakamura dijo que comprender cómo surgen espontáneamente las estructuras de nanoporos en los respiraderos hidrotermales podría ayudar a los ingenieros a diseñar mejores métodos de síntesis para utilizar la conversión osmótica para generar electricidad.
Compilado de/SciTechDaily