Descubren un extraño vínculo entre la fotosíntesis y el quinto estado de la materia

Una nueva investigación ha descubierto vínculos atómicos entre la fotosíntesis y el quinto estado de la materia: el hallazgo permitirá diseñar nuevos productos electrónicos basados en las características cuánticas de las plantas.

Un estudio de la Universidad de Chicago ha descubierto vínculos a nivel atómico entre la fotosíntesis y los condensados de excitones, un extraño estado de la materia que permite que la energía fluya sin fricción a través de un material.

Un misterioso material desafía las leyes de la física

El hallazgo es científicamente intrigante y puede sugerir nuevas formas de pensar sobre el diseño de productos electrónicos, señalan los autores de este descubrimiento en un comunicado.

Aunque aparentemente la fotosíntesis, el proceso químico que convierte la materia inorgánica en orgánica gracias a la energía que aporta la luz solar, es bien conocida, la realidad es que la mayor parte del proceso sigue siendo un misterio.

Modelos informáticos

El laboratorio del profesor David Mazziotti, de la citada universidad, utiliza sofisticados modelos informáticos para comprender la forma en que los átomos y las moléculas interactúan en importantes procesos químicos.

Pocas reacciones de este tipo son tan vitales y comunes como la fotosíntesis, que las plantas y las algas utilizan para producir azúcares y almidones.

No hay forma de ver estas interacciones a simple vista, por lo que el modelado por ordenador brinda a los científicos la posibilidad de averiguar por qué ocurre este comportamiento, y también puede proporcionar una base para diseñar tecnología futura.

Fotosíntesis en directo

Por este motivo, 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 la hoja de una planta, provoca un cambio en una molécula especialmente diseñada por la naturaleza para este proceso. La energía suelta un electrón.

El electrón, y el "agujero" donde una vez estuvo, pueden viajar así alrededor de la hoja, llevando la energía del Sol a otra área donde se desencadena una reacción química para producir azúcares para la planta.

Excitones interesantes

El electrón y su hueco que deja sobre la hoja que impactó forman un excitón con propiedades cuánticas propias: un excitón es un bosón, por ejemplo, mientras que el electrón y el hueco son fermiones. La diferencia entre fermiones y bosones tiene su origen en el número total de electrones, protones y neutrones que posee un átomo.

Al modelar el comportamiento de numerosos excitones, en lugar de cada uno individualmente, los investigadores se dieron cuenta de cuánto se parecía su comportamiento al condensado de Bose-Einstein, también conocido como el "quinto estado de la materia", después de los tradicionales sólido, líquido, gas y plasma.

Un condensado de Bose-Einstein es un estado de la materia que se forma cuando un gas de bosones (uno de los dos tipos básicos de partículas elementales) se enfría cerca del cero absoluto. A esa temperatura los átomos se convierten en una entidad única con propiedades cuánticas.

Actividades cuánticas extrañas

Estos condensados no solo pueden prescindir por completo de fenómenos universales como la fricción, sino que también pueden participar en actividades cuánticas extrañas, como combinar el comportamiento de ondas y partículas.

Para hacer condensados de Bose-Einstein, los científicos necesitan enfriar los materiales ordenados a temperaturas apenas por encima del cero absoluto, pero las plantas hacen algo similar en la naturaleza a temperatura ambiente cuando brilla el Sol.

De acuerdo con los modelos creados por Schouten, Sager-Smith y Mazziotti, los excitones en una hoja de material a veces pueden unirse de manera similar al comportamiento del condensado de excitones que experimentan las plantas, sin necesidad de enfriarlos cerca del cero absoluto.

Sorpresa en el laboratorio

Esto fue una gran sorpresa, porque los condensados de excitón serían como cubitos de hielo formándose en una taza de café caliente, explican los investigadores.

Este efecto, obtenido en laboratorio a temperatura ambiente, no es total, sino que es más parecido a la formación de "islas" de condensados, a pesar de lo cual tienen la capacidad de duplicar la eficiencia energética del material, aseguran los científicos.

Este hallazgo abre nuevas posibilidades para generar materiales sintéticos para tecnología futura, concluye Mazziotti.

Referencia

Exciton-Condensate-Like Amplification of Energy Transport in Light Harvesting. Anna O. Schouten et al. PRX Energy 2, 023002; 28 April 2023. DOI: