Compuestos artificiales logran simular fotosíntesis sin clorofila.

CLOROFILALa Clorofila es la molécula elegida por la naturaleza para captar la radiación solar y que de acuerdo al número y la forma en que se disponen dichas clorofilas en las proteínas fotosistema hacen que funcionen como un sistema de captación de energía quántico a temperatura ambiente, muy robusto a la degradación natural y con un rendimiento superior al 95%.

Los investigadores de la Universidad de Chicago han creado un compuesto sintético que imita la dinámica cuántica compleja observada en la fotosíntesis y pueden permitir fundamentalmente nuevas rutas para la creación de tecnologías de captura de energía solar. Reproducir los efectos cuánticos en los dispositivos de recolección de luz sintéticos no sólo es posible, sino también más fácil de lo que se esperaba, según el informe de los investigadores en la edición de Science.

El estado cuántico es la descripción del estado físico que en un momento dado tiene un sistema físico en el marco de la mecánica cuántica. Un estado cuántico queda caracterizado por los posibles valores de las propiedades físicas observables (más exactamente por la distribución de probabilidad de valores que se pueden obtener mediante diversas mediciones).

Se llama estado coherente o se habla de coherencia cuántica para referirse a un estado cuántico que mantiene su fase durante un cierto periodo de tiempo.

Cuando se refiere a fotones, se habla de luz coherente. El proceso por el que se pierde la coherencia cuántica se llama decoherencia cuántica.

Los investigadores han diseñado pequeñas moléculas que admiten coherencias cuánticas de larga duración. Coherencia es el comportamiento macroscópico observable de superposiciones cuánticas. Superposiciones son un concepto fundamental en mecánica cuántica, ejemplificado por el hipotético experimento clásico del “gato” de Schrodinger, en el que una partícula cuántica tal como un electrón ocupa más de un estado al mismo tiempo.

Los efectos cuánticos son generalmente insignificantes en sistemas grandes, calientes y desordenados. Sin embargo, los recientes experimentos de espectroscopía ultrarrápida en el laboratorio de la Univ Chicago del Prof.de química Greg Engel han demostrado que las superposiciones cuánticas pueden desempeñar un papel en la casi perfecta eficiencia cuántica de foto-captación fotosintética, incluso a temperaturas fisiológicas.

Las antenas fotosintéticas—tales como las proteínas que organizan la clorofila y otras moléculas que absorben la luz en plantas y bacterias–permiten superposiciones que sobreviven anómalamente un largo tiempo.

Muchos investigadores han propuesto que los organismos han evolucionado en forma de proteger estas superposiciones. El resultado: mayor eficiencia en la transferencia de energía de la luz solar absorbida por las partes de la célula que convierten la energía solar en energía química. Los resultados divulgados recientemente demuestran que su particular manifestación de la mecánica cuántica puede reproducirse en compuestos hechos por el hombre.

Los investigadores modificaron la fluoresceína y luego vincularon los diferentes pares de estos tintes con una rígida estructura de puente. Las moléculas resultantes fueron capaces de recrear las características importantes de las moléculas de clorofila en sistemas fotosintéticos ya que reproducían “coherencias” persistentes por decenas de femtosegundos a temperatura ambiente.

“Puede no parecer mucho tiempo–un femtosegundo es una millonésima de una milmillonésima parte de un segundo,” dijo el coautor del estudio Dugan Hayes, un estudiante graduado de UChicago en química. “Pero el movimiento de las excitaciones a través de estos sistemas también se produce en una escala ultrarrápida, lo que significa que estas superposiciones cuánticas pueden jugar un papel importante en la transferencia de energía”.

Para detectar evidencias de superposiciones de larga duración, los investigadores crearon una secuencia de flujo de energía en las moléculas en laboratorios de alta ingeniería y sofisticados sistemas de láser de femtosegundos.

Tres pulsos de láser precisamente controlados se dirigen a la muestra, haciendo que emita una señal óptica que es capturada y dirigida hacia una cámara. Escaneando las demoras de tiempo entre los pulsos del láser que llegan, los investigadores crean una secuencia de flujo de energía en el sistema, codificado como una serie de espectro bidimensional. Cada espectro bidimensional es un único fotograma de la secuencia y contiene información sobre en donde reside y que vías en el sistema de energía ha seguido para llegar a él.

Estas películas muestran la relajación de los estados de alta energía hacia estados de energía inferiores durante el transcurso del tiempo, así como señales oscilantes en regiones muy específicas de la señal, o pulsos cuánticos. “Los pulsos (ritmo) cuánticos son la firma de la “coherencia cuántica”, derivados de la interferencia entre los diferentes estados energéticos en la superposición, similar al ruido que se escucha cuando dos instrumentos que están ligeramente desafinados entre sí intentan reproducir la misma nota,” explicó Hayes.

Las simulaciones por ordenador han demostrado que las coherencias cuánticas logran en antenas fotosintéticas evitar que las excitaciones energéticas queden atrapados en su camino hacia el centro de reacción, que es donde comienza la conversión en energía química.

En síntesis, a medida que la excitación se mueve a través de la antena, esta permanece en superposición con todos los caminos posibles a la vez, lo que vuelve inevitable que avance por el camino correcto.

“Hasta que se observaron estas “coherencias” en sistemas sintéticos, seguía siendo dudoso que pudiera crearse un fenómeno tan complejo fuera de la naturaleza,” dijo Hayes.

FUENTE:

http://www.sciencedaily.com/releases/2013/04/130419120954.htm

University of Chicago. “Technique unlocks design principles of quantum biology.” ScienceDaily, 19 Apr. 2013. Web. 21 Apr. 2013.

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