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Fotosintesi e coerenza quantistica, per un trasferimento di energia ad alto rendimento, i futuri pannelli solari copieranno le piante

  Autore: n/a

  sabato 19 gennaio 2013 ore: 00:00:00 - letto [ 3321 ]

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La fotosintesi di alcuni batteri che vivono nelle profondità marine si basa su delicati fenomeni di coerenza quantistica delle proteine che costituiscono il “corridoio” biochimico per il trasferimento di energia con un'altissima efficienza. Questa scoperta mette in discussione l'idea secondo cui alcune proprietà quantistiche siano troppo "delicate" per partecipare attivamente ai processi biochimici e pone le basi per uno sfruttamento più efficiente del'energia solare.

Il 99 per cento circa dell'energia solare assorbita grazie alla fotosintesi viene convertita in energia chimica. Questa strabiliante efficienza, irraggiungibile per qualunque cella fotovoltaica, è dovuta almeno in parte alla capacità della natura di sfruttare il fenomeno della coerenza quantistica. A scoprirlo è stato un nuovo studio condotto sulla base di una simulazione al computer da Alex Chin, ricercatore dell'Università di Cambridge, e colleghi dell'Istituto di fisica teorica di Ulm e del Politecnico di Cartagena, che pubblicano i loro risultati su "Nature Physics".

Il risultato mette in discussione anche da un punto di vista fondamentale e teorico un'ipotesi molto diffusa tra i ricercatori, e cioè che i sistemi viventi si basino su meccanismi biochimici insensibili a proprietà quantistiche come la coerenza o l'entanglement (la correlazione che può legare a distanza diversi stati quantistici di particelle). Queste proprietà infatti decadono rapidamente per effetto dell'interazione con l'ambiente circostante. Solo di recente si è fatta strada l'idea che le proprietà quantistiche possano giocare un ruolo nei processi biochimici, in particolare nella fotosintesi.

Lo sfruttamento dell'energia del Sole da parte delle piante coinvolge, a livello microscopico, un complesso “corridoio” biochimico a cui partecipano pigmenti legati a specifiche proteine che formano complessi denominati PPC (pigment-protein complex). L'energia viene trasferita attraverso l'eccitazione a catena di diversi stati quantistici molecolari, o eccitoni. Questi eccitoni mostrano una coerenza quantistica: vale a dire che possono presentare simultaneamente una sovrapposizione di stati quantistici, ognuno caratterizzato da una diversa probabilità.

Studiando i batteri verdi sulfurei, che vivono fino a 2000 metri nelle profondità marine, si osserva che la quantità di luce solare che possono sfruttare è talmente limitata da essere trasformata quasi al cento per cento in nutrimento. Recenti progressi nelle tecniche di microscopia non-lineare ultrarapida hanno permesso di osservare in questo processo di trasformazione estremamente efficiente indizi di fenomeni di coerenza quantistica.

I nuovi calcoli di Chin e colleghi confermano queste prime indicazioni sperimentali, dimostrando che le proteine che formano i PPC partecipano al trasporto di energia in modo molto più attivo di quanto ipotizzato in precedenza. In particolare, le loro frequenze delle vibrazioni rotazionali entrano in risonanza con le onde di eccitoni, senza disturbarle: le vibrazioni possono passare dagli eccitoni alle strutture proteiche e viceversa, con uno scambio continuo in equilibrio che permette di mantenere la coerenza.

“La differenza principale tra il sistema usato per questa simulazione e i sistemi impiegati per le simulazioni precedenti consiste nel non separare l'eccitone dall'ambiente circostante, ma di considerare invece un unico sistema a molti corpi”, ha spiegato Chin. “Abbiamo adottato un approccio olistico, che ha reso molto complicata la descrizione del sistema in temini computazionali”.



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http://www.lescienze.it/news/2013/0...








 

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