Overblog Seguir este blog
Edit post Administration Create my blog

Les plantes dominen les virtuts de la física quàntica

Un estudi de l'ICFO diu que l'extrema eficàcia de la fotosíntesi, per aprofitar la llum, es deu a processos quàntics que es podrien imitar en les plaques solars

Les plantes dominen les virtuts de la física quàntica

Les plantes dominen les virtuts de la física quàntica SZE FEI WONG / GETTY

Sovint la natura és difícil de superar. Per això, imitar-la pot ser la millor manera de trobar solucions a alguns problemes. Si les plantes i els bacteris són les màquines més perfectes a l'hora de treure partit de l'energia solar, per què no imitar-les per fer plaques solars ultraeficients? En menys d'una milionèsima part d'un segon, els vegetals transporten i aprofiten el 95% de la llum que reben. En aquest temps tenen lloc reaccions metabòliques complexes que transformen l'energia lumínica en energia química. Per contra, la màxima eficiència de les cèl·lules fotovoltaiques actuals se situa en un 20%.

Fa molts anys que els científics es pregunten el perquè d'aquesta enorme eficiència de les plantes. Durant molt de temps ha estat un gran interrogant que la química no podia explicar. Però la física n'ha trobat la resposta. Els investigadors de l'Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) han fet un pas important: han pogut veure en viu i en directe, en condicions ambientals, la fotosíntesi a nivell quàntic, segons un estudi que aquesta setmana publica Science . I és precisament en els processos quàntics, a nivell nanomètric, on s'amaguen les claus de l'alta rendibilitat energètica de les plantes.

Antenes i coherència

Aquest estudi s'emmarca dins d'un innovador camp de recerca, els efectes quàntics dels sistemes biològics, que va agafar una forta embranzida quan el 2007 un grup de recerca de la Universitat de Berkeley, a Califòrnia, va descobrir com una de les propietats de la física quàntica, la coherència quàntica, era present a la fotosíntesi. Aquest terme vol dir que quan un fotó assoleix una planta excita de la mateixa manera totes les seves molècules, i això passa perquè estan molt a prop les unes de les altres i, per tant, estan molt acoblades. Utilitzen una sèrie de proteïnes anomenades antenes, que fan que l'energia passi d'una molècula a l'altra sense que hi hagi pèrdues. Aquestes antenes funcionen com a màquines quàntiques i fan que totes les molècules formin una sola gran molècula. A efectes pràctics, això vol dir que l'energia no es troba en un lloc primer i després en un altre, sinó a tot arreu del sistema al mateix temps.

Fins ara, però, els experiments s'havien fet amb mostres vegetals en condicions de molt de fred o al buit. Molts pensaven que aquests processos quàntics tan sols podien ocórrer en aquestes condicions ambientals extremes. Ara l'equip català ha demostrat que a temperatura ambient també hi són. I això ha estat possible gràcies al fet que l'ICFO té un equip de físics pioners, capaços de dissenyar els microscopis més potents. Segons explica Niek van Hulst, al capdavant del projecte, han trigat 7 anys a construir l'instrument que els ha permès enregistrar la quàntica de la fotosíntesi a nivell nanomètric i en qüestió de femtosegons (un femtosegon equival a una milbilionèsima part de segon), la velocitat a la qual succeeixen aquests processos. El microscopi de l'ICFO és únic al món i permet observar què passa individualment, molècula per molècula.

Plantes adaptades

La coherència quàntica de les plantes s'apunta des de l'any 2007. Els detalls, però, s'estan començant a conèixer ara. El fet que sigui una constant no deixa de sorprendre els científics. "Sobretot tenint en compte que la configuració molecular de cada planta és molt més desordenada i variable que qualsevol producte creat al laboratori i que, a més, en el temps es veu exposada a condicions ambientals molt variades, com períodes de sequera i terres més àrides o fèrtils", explica Van Hulst.

Una de les troballes de la recerca és que la maquinària quàntica de les plantes no varia i, malgrat els canvis que hi pugui haver al seu entorn, la coherència quàntica persisteix. Això sí, tenint en compte la diversitat en la configuració de cada vegetal, "cada sistema és coherent a la seva manera, la diferent organització de les seves molècules marca la diferència", puntualitza Van Hulst. Les plantes són iguals químicament, però els seus sistemes (quàntics) són diferents, afegeix l'investigador.

Els investigadors de l'ICFO reconeixen en aquest mecanisme una nova via per construir plaques solars més eficients. El mes d'abril passat la revista Science també publicava els estudis d'un altre grup de recerca, de la Universitat de Chicago, que ha aconseguit crear un compost sintètic capaç d'imitar la dinàmica quàntica que hi ha en el complex procés biològic que es produeix en la fotosíntesi. Han desenvolupat dispositius sintètics captadors de llum, formats per petites molècules d'una substància colorant orgànica hidrosolubre que es diu fluoresceïna, també capaces de mantenir aquesta coherència quàntica. Els investigadors les van connectar entre elles fent servir una estructura rígida, i van aconseguir que les macromolècules resultants recreessin les propietats de les molècules fotosintètiques de les plantes reals.

Una fulla de laboratori

Hi ha més iniciatives per emular la fotosíntesi de manera artificial. A la Universitat de Glasgow es treballa en un projecte de fulla sintètica que imiti les reals i sigui capaç de convertir l'energia solar en combustible líquid. Els primers prototipus són unes membranes fetes de silicona, amb un pigment negre, en comptes del verd de la clorofil·la. Els resultats han estat prometedors, però el material és encara massa fràgil i car per ser una alternativa.

També s'investiga per conèixer en profunditat el funcionament dels bacteris que també fan la fotosíntesi, els cianobacteris. De fet, aquest tipus de microorganismes absorbeixen més energia solar de la que són capaços d'utilitzar. Fent un paral·lelisme, els cianobacteries serien com una central elèctrica que no estigués ben connectada a la xarxa i, per tant, generés energia residual. Els científics busquen fórmules per transferir l'energia que no aprofiten els bacteris i emmagatzemar-la. S'està experimentant en la manera per connectar els bacteris entre ells. En concret, en uns petits filaments pilosos amb propietats conductores, anomenats pili, que alguns bacteris ja tenen de manera natural i que els permeten treure profit d'altres fonts energètiques.

Tag(s) : #BIOLOGIA SEGON DE BATXILLERAT

Compartir este post

Repost 0