Dentro de un laboratorio, los científicos se maravillan ante un extraño estado que se forma cuando enfrían los átomos hasta casi el cero absoluto.
por Louise Lerner, Universidad de Chicago
Fuera de su ventana, los árboles recogen la luz del sol y la convierten en hojas nuevas. Los dos parecen no estar relacionados, pero un nuevo estudio de la Universidad de Chicago sugiere que estos procesos no son tan diferentes como podrían parecer en la superficie.
El estudio, publicado en PRX Energy el 28 de abril, encontró vínculos a nivel atómico entre la fotosíntesis y los condensados de excitones, un extraño estado de la física que permite que la energía fluya sin fricción a través de un material. El hallazgo es científicamente intrigante y puede sugerir nuevas formas de pensar sobre el diseño de productos electrónicos, dijeron los autores.
“Hasta donde sabemos, estas áreas nunca antes se habían conectado, por lo que encontramos esto muy convincente y emocionante”, dijo el coautor del estudio, el profesor David Mazziotti.
El laboratorio de Mazziotti se especializa en modelar las interacciones complicadas de átomos y moléculas a medida que muestran propiedades interesantes. No hay forma de ver estas interacciones a simple vista , por lo que el modelado por computadora puede brindarles a los científicos una ventana sobre por qué ocurre el comportamiento, y también puede proporcionar una base para diseñar tecnología futura.
En particular, Mazziotti y los coautores del estudio Anna Schouten y LeeAnn Sager-Smith han estado modelando lo que sucede a nivel molecular cuando ocurre la fotosíntesis.
Cuando un fotón del sol golpea una hoja, provoca un cambio en una molécula especialmente diseñada. La energía suelta un electrón. El electrón y el “agujero” donde una vez estuvo, ahora pueden viajar alrededor de la hoja, llevando la energía del sol a otra área donde desencadena una reacción química para producir azúcares para la planta.
Juntos, ese par de electrones y huecos que viajan se conoce como “excitón”. Cuando el equipo tomó una vista de pájaro y modeló cómo se mueven múltiples excitones, notaron algo extraño. Vieron patrones en los caminos de los excitones que parecían notablemente familiares.
De hecho, se parecía mucho al comportamiento de un material conocido como condensado de Bose-Einstein , a veces conocido como “el quinto estado de la materia”. En este material, los excitones pueden unirse en el mismo estado cuántico , algo así como un conjunto de campanas que suenan perfectamente afinadas. Esto permite que la energía se mueva alrededor del material sin fricción. (Este tipo de comportamientos extraños intrigan a los científicos porque pueden ser las semillas de una tecnología notable; por ejemplo, un estado similar llamado superconductividad es la base de las máquinas de resonancia magnética).
De acuerdo con los modelos creados por Schouten, Sager-Smith y Mazziotti, los excitones en una hoja a veces pueden unirse de manera similar al comportamiento del condensado de excitones.
Esta fue una gran sorpresa. Los condensados de excitón solo se han visto cuando el material se enfría significativamente por debajo de la temperatura ambiente. Sería como ver cubitos de hielo formándose en una taza de café caliente.
“La recolección de luz fotosintética se lleva a cabo en un sistema que está a temperatura ambiente y, además, su estructura está desordenada, muy diferente de los materiales cristalizados prístinos y las bajas temperaturas que se usan para hacer condensados de excitón”, explicó Schouten.
Este efecto no es total, es más parecido a la formación de “islas” de condensados, dijeron los científicos. “Pero eso sigue siendo suficiente para mejorar la transferencia de energía en el sistema”, dijo Sager-Smith. De hecho, sus modelos sugieren que puede duplicar la eficiencia.
Esto abre algunas posibilidades nuevas para generar materiales sintéticos para tecnología futura, dijo Mazziotti. “Un condensado de excitón ideal perfecto es sensible y requiere muchas condiciones especiales, pero para aplicaciones realistas, es emocionante ver algo que aumenta la eficiencia pero que puede suceder en condiciones ambientales”.
Mazziotti dijo que el hallazgo también juega con un enfoque más amplio que su equipo ha estado explorando durante una década.
Las interacciones entre los átomos y las moléculas en procesos como la fotosíntesis son increíblemente complejas, difíciles de manejar incluso para una supercomputadora, por lo que los científicos tradicionalmente han tenido que simplificar sus modelos para poder manejarlos. Pero Mazziotti cree que se deben dejar algunas partes: “Creemos que la correlación local de electrones es esencial para capturar cómo funciona realmente la naturaleza”.
Más información: Anna O. Schouten et al, Exciton-Condensate-Like Amplification of Energy Transport in Light Harvesting, PRX Energy (2023). DOI: 10.1103/PRXEnergy.2.023002
