La fotosíntesis utiliza un proceso sorprendentemente parecido a un condensador Bose-Einstein
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La fotosíntesis utiliza un proceso sorprendentemente parecido a un condensador Bose-Einstein

Se podría pensar que dado lo básica y ubicua que es la fotosíntesis, hace mucho tiempo que descubrimos cómo funciona. En cambio, las partes principales del proceso siguen siendo un misterio. Una nueva investigación sugiere que una de estas fases tiene sorprendentes similitudes con los condensadores de excitón, algo que los físicos han tenido que hacer todo lo posible para producir en el laboratorio.

El profesor David Mazzotti de la Universidad de Chicago dirige un laboratorio que utiliza modelos informáticos para tratar de comprender la forma en que los átomos y las moléculas interactúan en importantes procesos químicos. Pocas de estas reacciones son tan vitales y comunes como la fotosíntesis, en la que las plantas y las algas utilizan la energía de la luz solar para producir azúcares y almidones.

El proceso comienza cuando los fotones golpean los electrones sueltos en las hojas, permitiendo que tanto el electrón como el «agujero» donde estaba la carga se muevan a través de la cromofila (molécula de clorofila), transportando energía solar. Aunque esto se sabe desde hace mucho tiempo, Mazziotti y sus colegas informan que los grupos de electrones, huecos y huecos no siempre se mueven como individuos.

Juntos, un electrón y su hueco se conocen como excitón, y cuando se ven juntos, un electrón tiene propiedades cuánticas diferentes a las de cada uno por sí solo. Un excitón es un bosón, por ejemplo, mientras que un electrón y un hueco son ambos fermiones. Al modelar el comportamiento de muchos excitones, en lugar de cada uno individualmente, los investigadores se dieron cuenta de cuán similar era su comportamiento a un condensado de Bose-Einstein, que a veces se conoce como el «quinto estado de la materia» después de sólidos, líquidos, gases y plasmas convencionales. .

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Los condensados ​​de Bose-Einstein permiten que grandes grupos de átomos muestren el tipo de comportamiento cuántico alucinante que normalmente solo se ve a nivel subatómico. No solo pueden prescindir de fenómenos universales como la fricción, sino que también pueden participar en actividades cuánticas exóticas, como combinar el comportamiento de ondas y partículas.

Para hacer condensados ​​de Bose-Einstein, los científicos necesitan enfriar los materiales ordenados a temperaturas justo por encima del cero absoluto, pero las plantas están haciendo algo similar afuera de su ventana en este momento (si es de día). «La luz fotónica se recolecta en un sistema a temperatura ambiente y, además, su estructura no está estructurada, a diferencia de los materiales amorfos originales y las bajas temperaturas que se usan para fabricar condensadores de excitón», dijo Anna Skotin, primera estudiante graduada del estudio. a declaración.

El descubrimiento no se hizo antes, en parte porque los excitones vegetativos son de corta duración y, por lo general, se recombinan rápidamente. Además de las bajas temperaturas, la recombinación de excitones puede retrasarse con fuertes campos magnéticos, pero, por supuesto, las plantas tampoco los tienen.

«Hasta donde sabemos [photosynthesis and exciton condensates] La conexión no se había hecho antes, por lo que encontramos esto muy convincente y emocionante», dijo Mazziotti.

Quizás aún más sorprendente, los excitones que están coloreados por cromóforos no se vuelven como condensadores todos juntos. En cambio, las manchas, que los autores llaman una forma de «isla». Sin embargo, estas islas no son una curiosidad ajena.

Un grupo frondoso de excitones. El documento señala que «puede carecer de algunas de las propiedades asociadas con la condensación macroscópica de excitones», pero «es probable que conserve muchas ventajas, incluida la transferencia eficiente de energía». Si es así, haría que la fotosíntesis fuera más eficiente, contribuyendo a la riqueza y abundancia de la vida. De hecho, en condiciones ideales, un condensado de excitón podría duplicar la tasa de transferencia de energía en comparación con lo que sería posible de otro modo.

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Incluso las supercomputadoras luchan por modelar la complejidad del comportamiento atómico y subatómico durante la fotosíntesis, por lo que los modelos se vuelven más simples que muchos otros escenarios científicos. Sin embargo, Mazziotti advierte que el comportamiento del grupo es algo que no se debe descartar. «Creemos que la correlación local de electrones es esencial para captar cómo funciona la naturaleza en la realidad», dijo.

El estudio es de acceso abierto en Energía PRX

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