Tendencias21
“Gigantes atómicos” muestran cómo aprovechar la energía igual que una planta

“Gigantes atómicos” muestran cómo aprovechar la energía igual que una planta

Emular la fotosíntesis permitiría desarrollar células fotovoltaicas con una eficiencia energética casi total. Por eso, los científicos se afanan por entender los mecanismos cuánticos que subyacen a este proceso. El último logro ha sido el registro en alta resolución de la transmisión de energía a través de un mar de átomos “gigantes”. Por Yaiza Martínez.

“Gigantes atómicos” muestran cómo aprovechar la energía igual que una planta

La fotosíntesis es el proceso por el cual los vegetales y algunas bacterias transforman la energía lumínica en energía química estable, que a su vez se usa para convertir la materia inorgánica en materia orgánica.

Esto se hace de la siguiente forma: la energía lumínica es absorbida inicialmente por complejos captadores de luz – una serie membranas de proteínas- y luego trasladada a un centro de reacción molecular a través de unas estructuras llamadas nanoantenas. En ese centro de reacción, la luz es transformada en energía química con una enorme eficiencia.

El vínculo entre la cuántica y la fotosíntesis

En el año 2007, un estudio realizado por el Departamento de Energía del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) y la Universidad de California en Berkeley (Estados Unidos), confirmó que bajo el complejo proceso natural ‎ de la fotosíntesis subyace un mecanismo cuántico, es decir, un mecanismo que se da en el nivel subatómico de la materia.

Por otra parte, en abril de 2013, investigadores de la Universidad de Chicago hacían pública la creación de un compuesto sintético que reproducía un proceso cuántico (el entrelazamiento)‎ vinculado a la eficacia de la fotosíntesis.

Estos avances acercan al conocimiento de los procesos cuánticos que subyacen a la fotosíntesis, un conocimiento que resultaría esencial por la siguiente razón: los organismos fotosintéticos son capaces de convertir el 95% de la luz solar en energía química, mientras que las células fotovoltaicas fabricadas por el ser humano sólo aprovechan un 20% de la energía lumínica.

Un nuevo avance

Un nuevo paso en esta dirección ha sido dado recientemente por un equipo de físicos de la Universidad de Heidelberg (Alemania), pues éstos han conseguido registrar, con una alta resolución espacial y temporal, procesos clave de la fotosíntesis a nivel cuántico.

Los investigadores Matthias Weidemüller y Shannon Whitlock han descubierto así nuevas propiedades del transporte de energía en el mundo subatómico, lo que supone un adelanto hacia la comprensión de cómo la física cuántica podría contribuir a la eficiencia de la conversión energética en sistemas artificiales.

“Gigantes atómicos” muestran cómo aprovechar la energía igual que una planta

Fabricando un “gigante atómico”

Para lograrlo, los científicos crearon un sistema cuántico artificial constituido por átomos “de Rydberg”‎, que son átomos excitados con uno o más electrones con un número cuántico principal muy alto. Este número está relacionado tanto con la energía como con la distancia media entre el núcleo y el electrón, medida en niveles energéticos.

El sistema, un gas, fue enfriado hasta una temperatura cercana al cero absoluto‎ (−273,15 °C). A continuación, los átomos de Rydberg contenidos en él fueron excitados con luz láser para elevar su nivel de energía.

Entonces, sus electrones, también excitados, se situaron a una distancia macroscópica (de casi la anchura de un cabello) del núcleo atómico. A partir de ahí, este “gigante atómico” se convirtió en un sistema ideal para el estudio de los fenómenos en transición entre el mundo clásico, macroscópico, y el mundo cuántico, microscópico, explica la Universidad de Heidelberg en un comunicado.

Un truco y una sorpresa

Pero, “para poder observar el transporte de energía (dentro del gas), primero tuvimos que encontrar la forma de registrar a los átomos de Rydberg, pues con microscopio era imposible”, señala Georg Günter, un estudiante de doctorado que colabora con Weidemüller.

Para ello, los científicos usaron un truco de la óptica cuántica‎ que consiste en medir la sombra que los átomos de Rydberg excitados arrojan sobre la imagen microscópica, una vez que absorben luz láser. Esta sombra permite medir su posición.

El hecho de que esta técnica, además de facilitar la posición atómica, haya permitido también la observación del transporte de energía entre los átomos resultó una sorpresa, según los propios investigadores.

Hallazgos realizados

Gracias a ella pudo observarse cómo la energía era transportada de un átomo de Rydberg a otro, de manera similar a cómo lo hacen los complejos de almacenamiento de energía lumínica de la fotosíntesis. Esta transmisión energética fue descrita por los investigadores como parecida a “la difusión de tinta en agua”.

Por otro lado, con la ayuda de un modelo matemático, los científicos lograron demostrar que el “mar atómico” que conformaba el gas influía de manera crucial en el transporte energético de un átomo de Rydberg a otro.

“En esta forma especial de transporte energético, la energía no se localizó en un solo átomo, sino que se distribuyó en muchos átomos al mismo tiempo «, explica Weidemüller.

Los científicos esperan que estos descubrimientos ayuden a obtener nuevos conocimientos sobre cómo aumentar la eficacia de la transmisión de energía en sistemas sintéticos como los utilizados en la energía fotovoltaica.

El pasado mes de junio, investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Cataluña y la Universidad de Glasgow (Reino Unido) también hicieron una observación sobre la fotosíntesis a nivel cuántico: en este caso, lograron registrar por primera vez a temperatura ambiente los mecanismos cuánticos del transporte de energía en una bacteria púrpura fotosintética llamada Rhodopseudomonas acidophila.

Referencia bibliográfica:

G. Gunter, H. Schempp, M. Robert-de-Saint-Vincent, V. Gavryusev, S. Helmrich, C. S. Hofmann, S. Whitlock, M. Weidemuller. Observing the Dynamics of Dipole-Mediated Energy Transport by Interaction Enhanced Imaging. Science (2013). DOI: 10.1126/science.1244843.

RedacciónT21

Hacer un comentario

RSS Lo último de Tendencias21

  • La muerte los llama y ellos se juntan 13 febrero, 2024
    Un experimento desarrollado en "granjas de cadáveres" permitió comprobar que la descomposición de cuerpos humanos y de otras especies atrae siempre a las mismas variedades de microorganismos y hongos, sin importar el clima, la estación del año o la ubicación en el globo. Un mejor conocimiento de esta comunidad "universal" de descomponedores permitirá importantes avances […]
    Pablo Javier Piacente
  • Una corriente oceánica fundamental para el equilibrio climático podría anticipar su colapso 13 febrero, 2024
    Los científicos han descubierto una señal de advertencia clave antes que una corriente crucial del Atlántico colapse y sumerja al hemisferio norte en un verdadero caos climático: la Circulación de Vuelco Meridional del Atlántico (AMOC) genera una liberación de calor que ayuda a mantener a Europa, y también en parte a América del Norte, más […]
    Pablo Javier Piacente
  • Toda la biblioteca privada de Darwin ya está disponible en Internet 13 febrero, 2024
    La biblioteca privada de Charles Darwin ha sido completamente reconstruida y está disponible en Internet por primera vez, coincidiendo con el 215 cumpleaños del naturalista. El catálogo, de 300 páginas, contiene 7.400 títulos con un total de 13.000 volúmenes entre libros, escritos y revistas, que están al alcance de todo el mundo sin salir de […]
    Redacción T21
  • El metro de Londres implanta IA para vigilar la red subterránea 13 febrero, 2024
    El metro de Londres ha probado herramientas de vigilancia con IA en tiempo real para detectar posibles situaciones de riesgo o de conflicto y permitir al personal intervenir rápidamente. Detecta comportamientos agresivos e identifica a las personas que se cuelan sin pagar.
    Redacción T21
  • La memoria universal promete revolucionar a la informática 12 febrero, 2024
    La memoria universal podría reemplazar tanto a la RAM como al almacenamiento interno en los ordenadores de uso masivo, brindando una alternativa más rápida y más eficiente a nivel energético. Un nuevo estudio muestra un posible enfoque revolucionario de la memoria universal: empleando un nuevo material denominado GST467, los investigadores apreciaron que la memoria mejora […]
    Pablo Javier Piacente
  • Los relámpagos volcánicos habrían encendido la llama de la vida en la Tierra primitiva 12 febrero, 2024
    Cuando la Tierra era joven y salvaje, los procesos en nuestro planeta transformaron una mezcla de ingredientes en lo necesario para impulsar la vida. Para esto es crucial el nitrógeno, un nutriente esencial para formar proteínas, aminoácidos y ácidos nucleicos. Los científicos han descubierto evidencias geológicas que indican que las descargas de rayos asociadas con […]
    Pablo Javier Piacente
  • La genética tiene mucho que decir sobre el asesinato de una madre adoptiva 12 febrero, 2024
    Según la genética, el comportamiento de los hijos adoptados está mayoritariamente influido por los padres biológicos, mientras que el parecido entre padres e hijos en una familia adoptiva es muy pequeño. Además, un hijo adoptado no tiene vínculos genéticos con su madre adoptiva y puede heredar ciertas maneras de pensar de sus padres biológicos, especialmente […]
    Eduardo Costas | Catedrático de la UCM y Académico de Farmacia
  • Europa logra un récord mundial de fusión nuclear 12 febrero, 2024
    En un importante logro científico, investigadores de la instalación Joint European Torus (JET) han establecido un récord energético mundial de 69 megajulios liberados en energía de fusión sostenida y controlada. Otro impulso para el futuro reactor europeo a gran escala ITER.
    Eduardo Martínez de la Fe
  • Un árbol fosilizado hace 350 millones de años sorprende a los científicos: parece alienígena 11 febrero, 2024
    Un fósil tridimensional de árboles más antiguos que los dinosaurios revela que los bosques de hace 350 millones de años eran extraños y alienígenas. Formaban parte de un bosquecillo que fue sepultado después de un terremoto.
    Redacción T21
  • El meteorito de Berlín resultó ser un raro objeto de origen ígneo 11 febrero, 2024
    El asteroide que se desintegró sobre Berlín a mediados de enero pertenece a un tipo raro de meteorito de origen ígneo. Se compone principalmente de silicatos de magnesio, enstatita y forsterita, además casi no contiene hierro y tiene una corteza vítrea translúcida.
    Redacción T21