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Imagen del proceso cuántico de la fotosíntesis. BL.
Un estudio realizado por investigadores del Departamento de Energía del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab y de la Universidad de California en Berkeley (Estados Unidos), ha confirmado que bajo el proceso de la fotosíntesis subyace un mecanismo cuántico.
La fotosíntesis, clave para la vida en la Tierra, consiste en una serie de procesos por los que plantas y las cianobacterias (bacterias acuáticas que producen su alimentación por medio de la fotosíntesis) captan la energía de la luz y la transfieren a los centros de las reacciones moleculares, convirtiéndola así en energía química con una eficiencia del casi el 100% y a una velocidad casi instantánea.
Según explican estos investigadores en un comunicado del Berkeley Lab, los secretos del funcionamiento de la fotosíntesis y de su alto rendimiento subyacen en el nivel cuántico de la materia, es decir, en los efectos mecánicos de las partículas subatómicas. Los resultados de la investigación han sido publicados en la revista Nature.
En este artículo, los investigadores explican que han obtenido evidencias directas de que el notable tiempo de vida de la coherencia cuántica electrónica ondulatoria juega un importante papel en este proceso de transferencia energética que supone la fotosíntesis.
Según el líder de esta investigación, Graham Fleming, las características ondulatorias del fenómeno de la coherencia cuántica podrían explicar la extrema eficiencia de la fotosíntesis porque capacita al sistema para probar simultáneamente todos los “caminos” o posibles vías de energía potencial antes de elegir el más eficiente de ellos.
Coherencia cuántica
La coherencia cuántica es un término que hace referencia a la condición de un sistema cuántico (es decir, de partículas subatómicas) cuando sus constituyentes reducen una función de onda en un estado físico de partículas concretas. Cuando una función de onda se concreta, estas partículas se relacionan de una determinada manera unas con otras. Sus relaciones están descritas por la mecánica cuántica.
Fleming y sus colaboradores han conseguido detectar, por medio de mediciones electrónicas espectroscópicas realizadas a una escala de tiempo de femtosegundos (un femtosegundo es la unidad de tiempo que equivale a la milbillonésima parte de un segundo), señales cuánticas u oscilaciones electrónicas coherentes, tanto en las moléculas donantes como en las receptoras, generadas por excitaciones energéticas inducidas por la luz.
Descubrieron, además, que dichas oscilaciones se encuentran y se interfieren unas con otras constructivamente, formando movimientos ondulantes de energía (estados de superposición) que exploran todas las vías de energía potenciales de manera simultánea y reversible, eligiendo aquellas vías de mayor eficiencia energética.
Este hallazgo tropieza con la explicación científica tradicional de la fotosíntesis ya que, en palabras de Fleming: “La descripción de salto clásica de los procesos de transferencia de energía es tanto inadecuada como imprecisa. Nos da una imagen incorrecta de cómo funciona en realidad el proceso, y pierde un aspecto crucial de la causa de esta eficiencia extraordinaria”.
Imitar el proceso
Según los investigadores, la tecnología que implica la fotosíntesis para transferir energía de un sistema molecular a otro puede aprenderse de manera que seamos capaces de reproducir artificialmente el proceso, lo que daría lugar a un posible aprovechamiento de la luz del sol como fuente energética eficiente, sostenible y no contaminante.
Para conocer a fondo el mecanismo, los científicos han desarrollado una técnica denominada espectroscopia electrónica de dos dimensiones, que les permite observar el flujo de excitación energética provocada por la luz en complejos moleculares y con una resolución temporal asombrosa.
Esta técnica implica la proyección secuencial, con tres rayos láser, de una muestra de pulsaciones lumínicas. Un cuarto rayo se usa como oscilador local para amplificar y detectar las señales espectroscópicas resultantes cuando la energía de excitación de las luces del láser es transferida de una molécula a la siguiente (hay que tener en cuenta que la energía de excitación cambia la forma en que cada molécula absorbe y emite luz).
Los científicos pueden así rastrear la transferencia energética entre moléculas conectadas a través de sus estados electrónicos y vibracionales en cualquier sistema fotoactivo, tanto a nivel de nanoestructuras como de macromoléculas.
Antecedentes y medidas
En el año 2005, Fleming y su grupo publicaron por primera vez en Nature los resultados de sus investigaciones con la espectroscopia electrónica. En este caso, la tecnología se usó para observar el acoplamiento electrónico en una proteína encargada de capturar la luz para la fotosíntesis (la proteína Fenna-Matthews-Olson o FMO), formada por un conjunto de moléculas presente en las bacterias verdes del azufre.
Según declaró otro de los autores del estudio, también investigador del Berkeley Lab, Gregory Engel, la posibilidad de que la energía fotosintética pudiese involucrar oscilaciones cuánticas se sugirió por primera vez hace más de 70 años, pero estas oscilaciones no habían podido ser observadas hasta el momento.
También en la investigación de referencia se ha estudiado la proteína FMO porque se considera un sistema modelo para el estudio de transferencia energética de la fotosíntesis, dado que consta de sólo siete moléculas de pigmento y su química ha sido bien caracterizada.
Sus oscilaciones fueron observadas a partir de un espectro bidimensional en 33 tiempos de población, con rangos de entre 0 y 660 famtosegundos. Los espectros analizados mostraron que el excitón (estado de salto de un electrón y una partícula imaginaria llamada agujero-electrón) de menor energía, daba lugar a un pico diagonal de unos 825 nanómetros que oscilaba claramente. El latido cuántico duró todos los 660 femtosegundos de la medición, lo que sorprende porque la suposición científica general era la de que las coherencias electrónicas responsables de estas oscilaciones se destruían rápidamente.
Consecuencias
Según los investigadores, la demostración de que los procesos de transferencia energética implican la coherencia electrónica y que ésta es más intensa de lo que se esperaba, significa que este proceso es mucho más eficiente de lo que imagina la visión clásica.
Aún se desconoce con exactitud el grado de beneficio que conllevan para la fotosíntesis estos efectos cuánticos. Los próximos pasos del grupo de investigación se centrarán en analizar la influencia de los cambios de temperatura en dichos procesos de transferencia energética.
Por otro lado, también serán investigados los pulsos de luz y la manera de aplicar este funcionamiento de manera artificial a medios útiles.
La fotosíntesis, clave para la vida en la Tierra, consiste en una serie de procesos por los que plantas y las cianobacterias (bacterias acuáticas que producen su alimentación por medio de la fotosíntesis) captan la energía de la luz y la transfieren a los centros de las reacciones moleculares, convirtiéndola así en energía química con una eficiencia del casi el 100% y a una velocidad casi instantánea.
Según explican estos investigadores en un comunicado del Berkeley Lab, los secretos del funcionamiento de la fotosíntesis y de su alto rendimiento subyacen en el nivel cuántico de la materia, es decir, en los efectos mecánicos de las partículas subatómicas. Los resultados de la investigación han sido publicados en la revista Nature.
En este artículo, los investigadores explican que han obtenido evidencias directas de que el notable tiempo de vida de la coherencia cuántica electrónica ondulatoria juega un importante papel en este proceso de transferencia energética que supone la fotosíntesis.
Según el líder de esta investigación, Graham Fleming, las características ondulatorias del fenómeno de la coherencia cuántica podrían explicar la extrema eficiencia de la fotosíntesis porque capacita al sistema para probar simultáneamente todos los “caminos” o posibles vías de energía potencial antes de elegir el más eficiente de ellos.
Coherencia cuántica
La coherencia cuántica es un término que hace referencia a la condición de un sistema cuántico (es decir, de partículas subatómicas) cuando sus constituyentes reducen una función de onda en un estado físico de partículas concretas. Cuando una función de onda se concreta, estas partículas se relacionan de una determinada manera unas con otras. Sus relaciones están descritas por la mecánica cuántica.
Fleming y sus colaboradores han conseguido detectar, por medio de mediciones electrónicas espectroscópicas realizadas a una escala de tiempo de femtosegundos (un femtosegundo es la unidad de tiempo que equivale a la milbillonésima parte de un segundo), señales cuánticas u oscilaciones electrónicas coherentes, tanto en las moléculas donantes como en las receptoras, generadas por excitaciones energéticas inducidas por la luz.
Descubrieron, además, que dichas oscilaciones se encuentran y se interfieren unas con otras constructivamente, formando movimientos ondulantes de energía (estados de superposición) que exploran todas las vías de energía potenciales de manera simultánea y reversible, eligiendo aquellas vías de mayor eficiencia energética.
Este hallazgo tropieza con la explicación científica tradicional de la fotosíntesis ya que, en palabras de Fleming: “La descripción de salto clásica de los procesos de transferencia de energía es tanto inadecuada como imprecisa. Nos da una imagen incorrecta de cómo funciona en realidad el proceso, y pierde un aspecto crucial de la causa de esta eficiencia extraordinaria”.
Imitar el proceso
Según los investigadores, la tecnología que implica la fotosíntesis para transferir energía de un sistema molecular a otro puede aprenderse de manera que seamos capaces de reproducir artificialmente el proceso, lo que daría lugar a un posible aprovechamiento de la luz del sol como fuente energética eficiente, sostenible y no contaminante.
Para conocer a fondo el mecanismo, los científicos han desarrollado una técnica denominada espectroscopia electrónica de dos dimensiones, que les permite observar el flujo de excitación energética provocada por la luz en complejos moleculares y con una resolución temporal asombrosa.
Esta técnica implica la proyección secuencial, con tres rayos láser, de una muestra de pulsaciones lumínicas. Un cuarto rayo se usa como oscilador local para amplificar y detectar las señales espectroscópicas resultantes cuando la energía de excitación de las luces del láser es transferida de una molécula a la siguiente (hay que tener en cuenta que la energía de excitación cambia la forma en que cada molécula absorbe y emite luz).
Los científicos pueden así rastrear la transferencia energética entre moléculas conectadas a través de sus estados electrónicos y vibracionales en cualquier sistema fotoactivo, tanto a nivel de nanoestructuras como de macromoléculas.
Antecedentes y medidas
En el año 2005, Fleming y su grupo publicaron por primera vez en Nature los resultados de sus investigaciones con la espectroscopia electrónica. En este caso, la tecnología se usó para observar el acoplamiento electrónico en una proteína encargada de capturar la luz para la fotosíntesis (la proteína Fenna-Matthews-Olson o FMO), formada por un conjunto de moléculas presente en las bacterias verdes del azufre.
Según declaró otro de los autores del estudio, también investigador del Berkeley Lab, Gregory Engel, la posibilidad de que la energía fotosintética pudiese involucrar oscilaciones cuánticas se sugirió por primera vez hace más de 70 años, pero estas oscilaciones no habían podido ser observadas hasta el momento.
También en la investigación de referencia se ha estudiado la proteína FMO porque se considera un sistema modelo para el estudio de transferencia energética de la fotosíntesis, dado que consta de sólo siete moléculas de pigmento y su química ha sido bien caracterizada.
Sus oscilaciones fueron observadas a partir de un espectro bidimensional en 33 tiempos de población, con rangos de entre 0 y 660 famtosegundos. Los espectros analizados mostraron que el excitón (estado de salto de un electrón y una partícula imaginaria llamada agujero-electrón) de menor energía, daba lugar a un pico diagonal de unos 825 nanómetros que oscilaba claramente. El latido cuántico duró todos los 660 femtosegundos de la medición, lo que sorprende porque la suposición científica general era la de que las coherencias electrónicas responsables de estas oscilaciones se destruían rápidamente.
Consecuencias
Según los investigadores, la demostración de que los procesos de transferencia energética implican la coherencia electrónica y que ésta es más intensa de lo que se esperaba, significa que este proceso es mucho más eficiente de lo que imagina la visión clásica.
Aún se desconoce con exactitud el grado de beneficio que conllevan para la fotosíntesis estos efectos cuánticos. Los próximos pasos del grupo de investigación se centrarán en analizar la influencia de los cambios de temperatura en dichos procesos de transferencia energética.
Por otro lado, también serán investigados los pulsos de luz y la manera de aplicar este funcionamiento de manera artificial a medios útiles.
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Los electrones abren un nuevo mundo a la física cuántica
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