A fotossíntese usa um processo surpreendentemente próximo a um condensador de Bose-Einstein

Você pode pensar que, dado o quão básica e onipresente é a fotossíntese, há muito tempo descobrimos como ela funciona. Em vez disso, as partes principais do processo permanecem um mistério. Novas pesquisas sugerem que uma dessas fases tem semelhanças impressionantes com os capacitores de exciton, algo que os físicos tiveram que fazer de tudo para produzir em laboratório.

O professor David Mazzotti, da Universidade de Chicago, dirige um laboratório que usa modelagem computacional para tentar entender a maneira como átomos e moléculas interagem em importantes processos químicos. Poucas dessas reações são tão vitais e comuns quanto a fotossíntese, na qual plantas e algas usam a energia da luz solar para produzir açúcares e amidos.

O processo começa com os fótons atingindo os elétrons soltos nas folhas, permitindo que tanto o elétron quanto o “buraco” onde estava a carga se movam através da cromofila (molécula de clorofila), transportando energia solar. Embora isso seja conhecido há muito tempo, Mazziotti e seus colegas relatam que grupos de elétrons, buracos e buracos nem sempre se movem como indivíduos.

Juntos, um elétron e seu buraco são conhecidos como éxciton e, quando vistos juntos, um elétron tem propriedades quânticas diferentes de cada um por conta própria. Um exciton é um bóson, por exemplo, enquanto um elétron e um buraco são ambos férmions. Ao modelar o comportamento de muitos excitons, em vez de cada um individualmente, os pesquisadores perceberam como seu comportamento era semelhante a um condensado de Bose-Einstein, que às vezes é conhecido como o “quinto estado da matéria” depois de sólidos, líquidos, gases e plasmas convencionais .

Os condensados ​​de Bose-Einstein permitem que grandes grupos de átomos exibam o tipo de comportamento quântico alucinante normalmente visto apenas no nível subatômico. Eles não apenas podem dispensar fenômenos universais como o atrito, mas também podem se envolver em atividades quânticas exóticas, como combinar comportamento de onda e partícula.

Para produzir condensados ​​de Bose-Einstein, os cientistas precisam resfriar materiais ordenados a temperaturas um pouco acima do zero absoluto, mas as plantas estão fazendo algo semelhante fora de sua janela agora (se for dia). “A luz fotônica é coletada em um sistema à temperatura ambiente e, além disso, sua estrutura não é estruturada – ao contrário dos materiais amorfos originais e temperaturas frias que você usa para fazer condensadores de excitons”, disse Anna Skotin, primeira aluna de pós-graduação do estudo. a declaração.

A descoberta não foi feita antes, em parte porque os excitons vegetativos têm vida curta e geralmente se recombinam rapidamente. Além das baixas temperaturas, a recombinação do exciton pode ser atrasada com fortes campos magnéticos, mas é claro que as plantas também não os possuem.

“Até onde sabemos [photosynthesis and exciton condensates] A conexão não havia sido feita antes, então achamos isso muito atraente e empolgante”, disse Mazziotti.

Talvez ainda mais surpreendente, éxcitons que são coloridos por cromóforos não se tornam capacitores todos juntos. Em vez disso, as manchas, que os autores chamam de forma de “ilha”. No entanto, essas ilhas não são uma curiosidade alheia.

Um grupo folhoso de éxcitons. O artigo observa que “pode ​​faltar algumas das propriedades associadas à condensação macroscópica do exciton”, mas “é provável que retenha muitas vantagens, incluindo a transferência eficiente de energia”. Se assim fosse, tornaria a fotossíntese mais eficiente, contribuindo para a riqueza e abundância da vida. De fato, sob condições ideais, a condensação do exciton pode dobrar a taxa de transferência de energia em comparação com o que seria possível de outra forma.

Mesmo os supercomputadores lutam para modelar a complexidade do comportamento atômico e subatômico durante a fotossíntese, de modo que os modelos se tornam mais simplistas do que muitos outros cenários científicos. No entanto, Mazziotti adverte que o comportamento grupal é algo que não deve ser descartado. “Achamos que a correlação local de elétrons é essencial para capturar como a natureza funciona na realidade”, disse ele.

O estudo é de acesso aberto em PRX Energia