Tendencias Científicas
Imagen: H. Zell. Fuente: Wikipedia.
La fotosíntesis es el proceso por el cual los vegetales y algunas bacterias transforman la energía lumínica en energía química estable, que a su vez se usa para convertir la materia inorgánica en materia orgánica.
Esto se hace de la siguiente forma: la energía lumínica es absorbida inicialmente por complejos captadores de luz - una serie membranas de proteínas- y luego trasladada a un centro de reacción molecular a través de unas estructuras llamadas nanoantenas. En ese centro de reacción, la luz es transformada en energía química con una enorme eficiencia.
El vínculo entre la cuántica y la fotosíntesis
En el año 2007, un estudio realizado por el Departamento de Energía del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) y la Universidad de California en Berkeley (Estados Unidos), confirmó que bajo el complejo proceso natural de la fotosíntesis subyace un mecanismo cuántico, es decir, un mecanismo que se da en el nivel subatómico de la materia.
Por otra parte, en abril de 2013, investigadores de la Universidad de Chicago hacían pública la creación de un compuesto sintético que reproducía un proceso cuántico (el entrelazamiento) vinculado a la eficacia de la fotosíntesis.
Estos avances acercan al conocimiento de los procesos cuánticos que subyacen a la fotosíntesis, un conocimiento que resultaría esencial por la siguiente razón: los organismos fotosintéticos son capaces de convertir el 95% de la luz solar en energía química, mientras que las células fotovoltaicas fabricadas por el ser humano sólo aprovechan un 20% de la energía lumínica.
Un nuevo avance
Un nuevo paso en esta dirección ha sido dado recientemente por un equipo de físicos de la Universidad de Heidelberg (Alemania), pues éstos han conseguido registrar, con una alta resolución espacial y temporal, procesos clave de la fotosíntesis a nivel cuántico.
Los investigadores Matthias Weidemüller y Shannon Whitlock han descubierto así nuevas propiedades del transporte de energía en el mundo subatómico, lo que supone un adelanto hacia la comprensión de cómo la física cuántica podría contribuir a la eficiencia de la conversión energética en sistemas artificiales.
Esto se hace de la siguiente forma: la energía lumínica es absorbida inicialmente por complejos captadores de luz - una serie membranas de proteínas- y luego trasladada a un centro de reacción molecular a través de unas estructuras llamadas nanoantenas. En ese centro de reacción, la luz es transformada en energía química con una enorme eficiencia.
El vínculo entre la cuántica y la fotosíntesis
En el año 2007, un estudio realizado por el Departamento de Energía del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) y la Universidad de California en Berkeley (Estados Unidos), confirmó que bajo el complejo proceso natural de la fotosíntesis subyace un mecanismo cuántico, es decir, un mecanismo que se da en el nivel subatómico de la materia.
Por otra parte, en abril de 2013, investigadores de la Universidad de Chicago hacían pública la creación de un compuesto sintético que reproducía un proceso cuántico (el entrelazamiento) vinculado a la eficacia de la fotosíntesis.
Estos avances acercan al conocimiento de los procesos cuánticos que subyacen a la fotosíntesis, un conocimiento que resultaría esencial por la siguiente razón: los organismos fotosintéticos son capaces de convertir el 95% de la luz solar en energía química, mientras que las células fotovoltaicas fabricadas por el ser humano sólo aprovechan un 20% de la energía lumínica.
Un nuevo avance
Un nuevo paso en esta dirección ha sido dado recientemente por un equipo de físicos de la Universidad de Heidelberg (Alemania), pues éstos han conseguido registrar, con una alta resolución espacial y temporal, procesos clave de la fotosíntesis a nivel cuántico.
Los investigadores Matthias Weidemüller y Shannon Whitlock han descubierto así nuevas propiedades del transporte de energía en el mundo subatómico, lo que supone un adelanto hacia la comprensión de cómo la física cuántica podría contribuir a la eficiencia de la conversión energética en sistemas artificiales.
Recreación artística del transporte de energía en un mar de átomos de Rydberg. Imagen: S. Whitlock / G. Günter). Fuente: Universidad de Heidelberg.
Fabricando un “gigante atómico”
Para lograrlo, los científicos crearon un sistema cuántico artificial constituido por átomos “de Rydberg”, que son átomos excitados con uno o más electrones con un número cuántico principal muy alto. Este número está relacionado tanto con la energía como con la distancia media entre el núcleo y el electrón, medida en niveles energéticos.
El sistema, un gas, fue enfriado hasta una temperatura cercana al cero absoluto (−273,15 °C). A continuación, los átomos de Rydberg contenidos en él fueron excitados con luz láser para elevar su nivel de energía.
Entonces, sus electrones, también excitados, se situaron a una distancia macroscópica (de casi la anchura de un cabello) del núcleo atómico. A partir de ahí, este “gigante atómico” se convirtió en un sistema ideal para el estudio de los fenómenos en transición entre el mundo clásico, macroscópico, y el mundo cuántico, microscópico, explica la Universidad de Heidelberg en un comunicado.
Un truco y una sorpresa
Pero, “para poder observar el transporte de energía (dentro del gas), primero tuvimos que encontrar la forma de registrar a los átomos de Rydberg, pues con microscopio era imposible”, señala Georg Günter, un estudiante de doctorado que colabora con Weidemüller.
Para ello, los científicos usaron un truco de la óptica cuántica que consiste en medir la sombra que los átomos de Rydberg excitados arrojan sobre la imagen microscópica, una vez que absorben luz láser. Esta sombra permite medir su posición.
El hecho de que esta técnica, además de facilitar la posición atómica, haya permitido también la observación del transporte de energía entre los átomos resultó una sorpresa, según los propios investigadores.
Hallazgos realizados
Gracias a ella pudo observarse cómo la energía era transportada de un átomo de Rydberg a otro, de manera similar a cómo lo hacen los complejos de almacenamiento de energía lumínica de la fotosíntesis. Esta transmisión energética fue descrita por los investigadores como parecida a “la difusión de tinta en agua”.
Por otro lado, con la ayuda de un modelo matemático, los científicos lograron demostrar que el “mar atómico” que conformaba el gas influía de manera crucial en el transporte energético de un átomo de Rydberg a otro.
“En esta forma especial de transporte energético, la energía no se localizó en un solo átomo, sino que se distribuyó en muchos átomos al mismo tiempo ", explica Weidemüller.
Los científicos esperan que estos descubrimientos ayuden a obtener nuevos conocimientos sobre cómo aumentar la eficacia de la transmisión de energía en sistemas sintéticos como los utilizados en la energía fotovoltaica.
El pasado mes de junio, investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Cataluña y la Universidad de Glasgow (Reino Unido) también hicieron una observación sobre la fotosíntesis a nivel cuántico: en este caso, lograron registrar por primera vez a temperatura ambiente los mecanismos cuánticos del transporte de energía en una bacteria púrpura fotosintética llamada Rhodopseudomonas acidophila.
Para lograrlo, los científicos crearon un sistema cuántico artificial constituido por átomos “de Rydberg”, que son átomos excitados con uno o más electrones con un número cuántico principal muy alto. Este número está relacionado tanto con la energía como con la distancia media entre el núcleo y el electrón, medida en niveles energéticos.
El sistema, un gas, fue enfriado hasta una temperatura cercana al cero absoluto (−273,15 °C). A continuación, los átomos de Rydberg contenidos en él fueron excitados con luz láser para elevar su nivel de energía.
Entonces, sus electrones, también excitados, se situaron a una distancia macroscópica (de casi la anchura de un cabello) del núcleo atómico. A partir de ahí, este “gigante atómico” se convirtió en un sistema ideal para el estudio de los fenómenos en transición entre el mundo clásico, macroscópico, y el mundo cuántico, microscópico, explica la Universidad de Heidelberg en un comunicado.
Un truco y una sorpresa
Pero, “para poder observar el transporte de energía (dentro del gas), primero tuvimos que encontrar la forma de registrar a los átomos de Rydberg, pues con microscopio era imposible”, señala Georg Günter, un estudiante de doctorado que colabora con Weidemüller.
Para ello, los científicos usaron un truco de la óptica cuántica que consiste en medir la sombra que los átomos de Rydberg excitados arrojan sobre la imagen microscópica, una vez que absorben luz láser. Esta sombra permite medir su posición.
El hecho de que esta técnica, además de facilitar la posición atómica, haya permitido también la observación del transporte de energía entre los átomos resultó una sorpresa, según los propios investigadores.
Hallazgos realizados
Gracias a ella pudo observarse cómo la energía era transportada de un átomo de Rydberg a otro, de manera similar a cómo lo hacen los complejos de almacenamiento de energía lumínica de la fotosíntesis. Esta transmisión energética fue descrita por los investigadores como parecida a “la difusión de tinta en agua”.
Por otro lado, con la ayuda de un modelo matemático, los científicos lograron demostrar que el “mar atómico” que conformaba el gas influía de manera crucial en el transporte energético de un átomo de Rydberg a otro.
“En esta forma especial de transporte energético, la energía no se localizó en un solo átomo, sino que se distribuyó en muchos átomos al mismo tiempo ", explica Weidemüller.
Los científicos esperan que estos descubrimientos ayuden a obtener nuevos conocimientos sobre cómo aumentar la eficacia de la transmisión de energía en sistemas sintéticos como los utilizados en la energía fotovoltaica.
El pasado mes de junio, investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Cataluña y la Universidad de Glasgow (Reino Unido) también hicieron una observación sobre la fotosíntesis a nivel cuántico: en este caso, lograron registrar por primera vez a temperatura ambiente los mecanismos cuánticos del transporte de energía en una bacteria púrpura fotosintética llamada Rhodopseudomonas acidophila.
Referencia bibliográfica:
G. Gunter, H. Schempp, M. Robert-de-Saint-Vincent, V. Gavryusev, S. Helmrich, C. S. Hofmann, S. Whitlock, M. Weidemuller. Observing the Dynamics of Dipole-Mediated Energy Transport by Interaction Enhanced Imaging. Science (2013). DOI: 10.1126/science.1244843.
G. Gunter, H. Schempp, M. Robert-de-Saint-Vincent, V. Gavryusev, S. Helmrich, C. S. Hofmann, S. Whitlock, M. Weidemuller. Observing the Dynamics of Dipole-Mediated Energy Transport by Interaction Enhanced Imaging. Science (2013). DOI: 10.1126/science.1244843.
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