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 lluvia colabora con el océano para atrapar más carbono 30 octubre, 2024
    Hasta el momento, la lluvia ha sido ignorada en los cálculos de la capacidad del océano para absorber dióxido de carbono (CO2), pero una nueva estimación indica que las precipitaciones mejoran la capacidad del océano para atrapar las emisiones entre un 5 % y un 7 %, cumpliendo un papel vital en el ambiente. Este […]
    Pablo Javier Piacente
  • Los animales se vuelven menos sociables con el avance de la edad, al igual que los humanos 30 octubre, 2024
    Una serie de estudios científicos en torno al comportamiento de cientos de especies de animales revela que las variedades más sociables amplían su expectativa de vida y se reproducen por más tiempo. Además, los investigadores descubrieron que algunas especies, al igual que los seres humanos, tienden a reducir sus relaciones sociales a una edad avanzada: […]
    Pablo Javier Piacente
  • Los gorilas occidentales votan para tomar decisiones colectivas 30 octubre, 2024
    Un nuevo estudio desmonta la creencia de que, entre los grandes simios, es el macho dominante quien decide por todo el grupo. Entre los gorilas occidentales de la República Centroafricana, cada individuo tiene voz y voto, especialmente cuando se trata de cambiar de asentamiento.
    Redacción T21
  • Podemos comprender oraciones escritas en un parpadeo 29 octubre, 2024
    Nuestro cerebro puede entender oraciones escritas en lo que dura el parpadeo de un ojo, según revela un nuevo estudio. Los científicos descubrieron que el procesamiento del lenguaje escrito ocurre a velocidades significativamente más rápidas de las necesarias para hablar o comunicarse en voz alta.
    Pablo Javier Piacente
  • El beso humano habría comenzado como un ritual de acicalamiento de los simios 29 octubre, 2024
    El acto final del aseo de los simios implica labios sobresalientes y una ligera succión, para eliminar los desechos o parásitos, un comportamiento que persistió incluso cuando su función higiénica disminuyó. Un nuevo estudio sugiere que esta conducta refleja la forma, el contexto y la función de los besos humanos modernos.
    Pablo Javier Piacente
  • Thriller policial en la arqueología: el ADN confirma una leyenda nórdica de 800 años 29 octubre, 2024
    Un fascinante descubrimiento arqueológico en Noruega ha arrojado nueva luz sobre un misterioso episodio de la historia medieval del país. Revela que hace 800 años existió una deriva genética única que se puede observar entre los actuales habitantes del sur del país.
    Redacción T21
  • Descubren moléculas complejas de carbono en el espacio interestelar 28 octubre, 2024
    Un equipo de investigadores ha descubierto grandes moléculas que contienen carbono en una distante nube interestelar de gas y polvo: el hallazgo muestra que las moléculas orgánicas complejas, que incluyen carbono e hidrógeno, probablemente existieron en la nube de gas frío y oscuro que dio origen a nuestro Sistema Solar.
    Pablo Javier Piacente
  • El colapso de una corriente oceánica clave podría tener impactos catastróficos en todo el planeta 28 octubre, 2024
    Los científicos ya no consideran de baja probabilidad el colapso de la Circulación de Volteo Meridional del Atlántico (AMOC), que incluye a la Corriente del Golfo: se trata de una de las corrientes oceánicas más importantes para el equilibrio ambiental y climático global, y su debilitamiento provocaría eventos climáticos extremos, trayendo mucha más inestabilidad y […]
    Pablo Javier Piacente
  • Desafío a la consciencia: la cognición puede existir en organismos sin cerebro 28 octubre, 2024
    Una nueva investigación ha comprobado que los hongos muestran indicios de cognición y consciencia mínima, sin tener cerebro ni sistema nervioso para percibir el entorno ni tomar decisiones. Su comportamiento sigue patrones cognitivos para asegurar su supervivencia y crecimiento, todo un desafío a lo que sabemos sobre la consciencia.
    Eduardo Martínez de la Fe
  • Nuestra percepción del tiempo se modifica de acuerdo con lo que vemos 27 octubre, 2024
    Una nueva investigación revela que diferentes estímulos visuales pueden distorsionar significativamente la percepción humana del tiempo: ver escenas más destacadas y memorables puede crear la impresión de que el tiempo avanza más lentamente, en tanto que las imágenes desordenadas y caóticas comprimen la percepción del tiempo, haciendo que parezca acelerarse.
    Pablo Javier Piacente