Imagen: Vadimone.
Científicos crean un compuesto sintético cuyas moléculas se comportan, a nivel subatómico, como las de la clorofila
Investigadores de la Universidad de Chicago han creado un compuesto sintético que reproduce el proceso cuántico que hace posible la enorme eficacia energética de la fotosíntesis: la superposición cuántica. Los resultados obtenidos podrían ayudar a desarrollar tecnologías altamente eficientes para el aprovechamiento de la energía solar.
Investigadores de la Universidad de Chicago, en Estados Unidos, han creado un compuesto sintético capaz de imitar la dinámica cuántica presente en un proceso biológico tan complejos como la fotosíntesis.
Este novedoso método podría ayudar a mejorar las tecnologías para el aprovechamiento de energía solar, publica dicha Universidad en un comunicado emitido vía Newswise.
Los sistemas biológicos explotan fenómenos mecánicos cuánticos, que son los que suceden a nivel subatómico, para lograr ciertos fines. Por ejemplo, algunos fenómenos cuánticos posibilitan un proceso llamado fotosíntesis que resulta esencial para la vida y que consiste en la transformación de la energía solar para su aplicación en la conversión de materia inorgánica en materia orgánica.
En este proceso, las llamadas antenas fotosintéticas – proteínas que organizan la clorofila y otras moléculas que absorben la luz en plantas y bacterias – son capaces de mover energía con una eficiencia extrema. Pero, ¿cómo lo hacen?, se preguntaban los científicos.
Para descubrirlo, han desarrollado efectos cuánticos en dispositivos sintéticos captadores de luz. Según ellos mismos han señalado en la revista Science, este proceso de ingeniería cuántica no solo fue posible, sino que además resultó más sencillo de lo que cabría esperar.
De lo natural a lo artificial
Los científicos diseñaron en concreto pequeñas moléculas capaces de mantener coherencias cuánticas de «larga» duración. Las coherencias cuánticas son una huella observable, a escala macroscópica, de la superposición cuántica, que se da en el mundo microscópico cuando un objeto cuántico posee simultáneamente dos o más valores de una cantidad observable, como su posición o su energía.
Para entender esta superposición acudiremos al famoso experimento mental del gato de Schrödinger: un gato, junto con un matraz que contiene un veneno y una fuente radiactiva, se coloca en una caja sellada. Si un contador Geiger detecta la radiación, el frasco se rompe, liberando el veneno que mata al gato. De lo contrario, el gato seguirá vivo. La interpretación de la mecánica cuántica implica que, después de un tiempo, el gato está al mismo tiempo vivo y muerto. Como este gato (muerto y vivo a la vez), funcionarían las partículas subatómicas en un estado de superposición cuántica.
Aunque, en general, los efectos cuánticos son insignificantes para los sistemas macroscópicos, experimentos realizados en el laboratorio de química de la Universidad de Chicago por Greg Engel con una técnica que permite estudiar procesos dinámicos que transcurren en tiempos generalmente muy cortos, demostraron que las superposiciones cuánticas sí juegan un papel clave en la casi perfecta eficiencia cuántica de captación de luz de la fotosíntesis.
En este proceso, las antenas fotosintéticas antes mencionadas se encargan de mantener las superposiciones cuánticas, a veces durante periodos anómalamente largos.
Los organismos han desarrollado la manera de mantener dichas superposiciones cuánticas, con lo que han mejorado la eficiencia de la transferencia de energía absorbida de la luz solar, en aquellas regiones celulares en las que esta energía es transformada en energía química.
Los resultados alcanzados en la Universidad de Chicago han revelado ahora que este particular sistema de mecánica cuántica puede ser trasladado a compuestos fabricados por el ser humano.
Superposición cuántica y eficiencia energética
¿Pero cómo? Para conseguirlo, los científicos modificaron moléculas de una sustancia colorante orgánica hidrosoluble llamada fluoresceína, y las conectaron por pares usando una estructura rígida.
Las macromoléculas resultantes fueron capaces de recrear propiedades clave de las moléculas de clorofila presentes en los sistemas fotosintéticos. Estas moléculas son las que hacen que las coherencias cuánticas persistan durante decenas de femtosegundos a temperatura ambiente.
«Puede parecer poco tiempo – un femtosegundo equivale a la milbillonésima parte de un segundo-, sin embargo, el movimiento de las excitaciones en estos sistemas (biológicos) también se produce a esta escala de tiempo ultrarrápida, lo que significa que dichas superposiciones cuánticas pueden jugar un papel importante en la transferencia de energía», explica el co-autor del estudio, Dugan Hayes.
En el terreno biológico, simulaciones informáticas han demostrado de hecho que las coherencias cuánticas acaecidas en las antenas fotosintéticas evitan que las excitaciones energéticas queden atrapadas en su camino hacia el centro de reacción, donde se inicia su conversión en energía química.
Una interpretación de este hecho señala que, a medida que la excitación energética se traslada a través de la antena, se mantiene en una superposición cuántica de todas las vías posibles a la vez, de manera que sea inevitable que la energía acceda a la vía adecuada. De ahí la eficiencia energética de vegetales y bacterias en la fotosíntesis.
La película del avance
Para determinar si las superposiciones cuánticas de «larga» duración del compuesto artificial era similar a la de los sistemas biológicos, los investigadores «rodaron» una película del flujo de energía de las moléculas de fluoresceína, usando sistemas láser de femtosegundos.
Tres pulsos de láser controlados con precisión fueron dirigidos hacia la muestra, provocando que esta emitiese una señal óptica que fue capturada y enviada a una cámara.
El resultado fue codificado como una serie bidimensional de espectros, en la que cada espectro bidimensional constituye un fotograma de la película y contiene información sobre donde reside la energía en el sistema y qué vías ha seguido para llegar allí.
Las películas muestran la relajación de estados de alta energía hacia estados de energía más bajos a medida que avanza el tiempo, así como oscilaciones energéticas en regiones muy específicas que representarían «las huellas de la coherencia cuántica que surge de la interferencia entre diferentes estados energéticos en la superposición cuántica», explica Hayes.
El investigador concluye que la observación de estas coherencias en sistemas sintéticos demuestra que un fenómeno cuántico tan complejo como la superposición cuántica de la fotosíntesis puede ser recreado de manera artificial.
Primer hallazgo del vínculo entre cuántica y fotosíntesis
Imagen del proceso cuántico de la fotosíntesis.
En 2007, por primera vez en la historia, se observó, gracias a una técnica llamada espectroscopia electrónica de dos dimensiones, que el secreto de la eficiencia del proceso de la fotosíntesis se hallaba en un mecanismo cuántico.
Fue entonces cuando Greg Engel y un equipo de investigadores del Departamento de Energía del Lawrence Berkeley National Laboratory y de la Universidad de California en Berkeley (Estados Unidos) revelaron que 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.
En concreto, se constató que la coherencia cuántica electrónica ondulatoria juega un importante papel en el proceso de transferencia energética que supone 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, como también han demostrado los investigadores de la Universidad de Chicago.
En 2007, los investigadores de Berkeley señalaron que la tecnología natural de la fotosíntesis para transferir energía de un sistema molecular a otro podría llegar a reproducirse artificialmente. Esta imitación posibilitaría el aprovechamiento de la luz del sol como fuente energética eficiente, sostenible y no contaminante. El avance de los científicos de la Universidad de Chicago podría suponer un paso adelante en esta dirección.
Referencias bibliográficas:
Gregory S. Engel, Tessa R. Calhoun, Elizabeth L. Read, Tae-Kyu Ahn, Tomá Manal, Yuan-Chung Cheng, Robert E. Blankenship y Graham R. Fleming. Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems. Nature (2007). DOI: 10.1038/nature05678.
D. Hayes, G. B. Griffin, G. S. Engel. Engineering Coherence Among Excited States in Synthetic Heterodimer Systems. Science (2013). DOI:10.1126/science.1233828.