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?
El descubrimiento podría conducir a nuevas líneas de investigación dirigidas a la evolución de una nueva generación de células solares que imiten las coherencias cuánticas de la fotosíntesis para la transferencia eficiente de la energía. Crédito de la imagen: ICFO
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.
El estudio se publica en Science.
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