DESCUBIERTO EL SECRETO
CUÁNTICO DE LA FOTOSÍNTESIS
La conversión eficiente de la luz solar en energía
útil es uno de los retos que se interponen en el camino para satisfacer la
creciente demanda mundial de energía de una manera limpia, sostenible y sin
dependencia de los combustibles fósiles. Los organismos fotosintéticos, como
las plantas y algunas bacterias, han dominado este proceso. En la fotosíntesis, en menos de
dos billonésimas de segundo, el 95% de la luz solar que absorben las plantas es
transportado para dar lugar a las reacciones metabólicas que les proporcionan
energía. La eficiencia de las células fotovoltaicas actualmente en el mercado
es de alrededor de un 20%. ¿Qué mecanismo oculto utiliza la naturaleza para
lograr ese grado de eficiencia?
Varios grupos de
investigación de todo el mundo han demostrado que este transporte de energía de
alta eficiencia está relacionado con un fenómeno de la mecánica cuántica. Sin
embargo, hasta ahora, nadie había observado directamente los posibles impactos
de ese mecanismo de transporte cuántico a temperatura ambiente.
Investigadores del
Instituto de Ciencias Fotónicas-ICFO, en colaboración con bioquímicos de la
Universidad de Glasgow, han logrado demostrar, por primera vez en condiciones
ambientales, que los mecanismos de transferencia de energía cuántica hacen que
la fotosíntesis sea más robusta frente a las influencias ambientales. El
fenómeno cuántico responsable, conocido como coherencia, se manifiesta en las llamadas
proteínas de antena fotosintética, que son responsables de la absorción de la
luz solar y del transporte de energía a los centros de reacción fotoquímica de
la fotosíntesis.
Con el fin de observar
los efectos cuánticos de la fotosíntesis, el grupo de investigación, dirigido
por Niek van Hulst, ha desarrollado una técnica experimental pionera. El
transporte de energía durante la fotosíntesis es extremadamente rápido y tiene
lugar a escala molecular. Para observar estos procesos, llevaron hasta el límite
de una sola molécula a las técnicas de espectroscopía ultrarápida. Esto implica
el envío de destellos ultrarrápidos de luz, de tan solo femtosegundos, para
capturar una serie de ‘imágenes’ de alta velocidad de los estados de las
proteínas de antena individuales, después de la absorción de la luz (en un
femtosegundo la luz viaja sólo una centésima parte del diámetro de un cabello
humano, mientras que en un segundo viaja una distancia igual a la de la Tierra
a la Luna). Con estas “instantáneas” los investigadores han podido entender
cómo se transporta la energía solar a través de las proteínas individuales.
“Hemos podido observar cómo fluye la energía a través de los sistemas
fotosintéticos de absorción de la energía solar, con una resolución espacial y
temporal sin precedentes. Esto nos permitió observar el papel fundamental de
los efectos cuánticos en la fotosíntesis en condiciones ambientales”, explica
Richard Hildner, primer autor de la publicación.
Los resultados plantean
cuestiones fascinantes. ¿La explotación de los efectos cuánticos en la
fotosíntesis fue impulsada por la evolución para lograr las eficiencias
extraordinarias, o en otras palabras, el transporte cuántico ganó la
competencia a otros mecanismos durante la evolución? ¿Existen otros procesos
biológicos en los que los efectos cuánticos juegan un papel importante? Este
descubrimiento podría conducir a nuevas líneas de investigación dirigidas a la
evolución de una nueva generación de células solares que imiten las coherencias
cuánticas para la transferencia eficiente de la energía.
Fuente: The Institute of Photonic
Sciences
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