Como todo aprendimos en la escuela, las plantas transforman la luz solar en energía por un proceso llamado fotosíntesis. La eficiencia del proceso es asombrosa porque alcanza cerca del 100 por ciento. Muy poca energía se desperdicia en forma de calor porque la transferencia de energía solar a química es casi instantánea, señala un estudio conducido por investigadores del Departamento de Energía de Estados Unidos. Cómo lo hace fue un antiguo misterio que ha sido al fin resuelto.

La clorofila, cuya compleja molécula es muy semejante a nuestra sangre, salvo que tiene magnesio donde la molécula de hemoglobina tiene hierro, genera con la luz que la golpea un movimiento ondulatorio cuyas propiedades cuánticas han sido estudiadas con espectroscopio electrónico por investigadores del Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Los resultados aparecen en la revista Nature de este 12 de abril.

Este equipo científico ha obtenido la primera evidencia directa de procesos cuánticos ocurridos durante la fotosíntesis, dice Graham Fleming, quien dirige la investigación. Por procesos cuánticos se entiende aquellos que ocurren en el mundo subatómico, muchos nos resultan contrarios al sentido común. Uno de ellos es la superposición de estados: un electrón puede pasar por dos rendijas distintas porque es, al mismo tiempo, partícula y onda mientras no ocurra una observación (sí, así como se oye... y no entremos en más detalle). Eso significa que está en superposición de onda y partícula.

Mediciones realizadas en femtosegundos (una millonésima de una mil millonésima de segundo) detectaron cómo la luz solar produce "latidos cuánticos" en las moléculas de clorofila: ondulaciones de energía semejantes a las de una piedra arrojada a un estanque. La "piedra" es, en este caso, cada unidad de luz o fotón. Estas ondulaciones se encuentran, como al arrojar varias piedras a un estanque, y entran en superposición de estados: son cresta y valle, se incrementan y disminuyen a la vez. Al estar regidas por la cuántica, física propia de las partículas de luz y de los constituyentes del átomo, las oscilaciones exploran todos los potenciales caminos para convertirse en energía química, y cuando siguen el equivocado no tienen costo alguno en pérdida de energía por encontrarse en superposición de estados (siguieron el camino equivocado y no lo siguieron...)

Estos hallazgos contradicen la descripción clásica para la fotosíntesis, según la cual la transferencia de energía solar a las moléculas de pigmento verde se hace paso a paso. La descripción clásica de la captura de energía "es a la vez inadecuada e inexacta", dice Fleming. "Nos da la imagen errónea de cómo el proceso ocurre en realidad y desecha un aspecto crucial para comprender su maravillosa eficiencia", que sería la simultaneidad con la que el proceso cuántico explora todas las posibilidades. Eso fue descubierto gracias a la espectroscopía electrónica de 2 dimensiones desarrollada por el equipo del Berkeley Lab y que permite a los científicos rastrear, con resolución temporal en femtosegundos, una ondulación entre moléculas inducida por medio de luz.

Si pudiéramos emular ese perfecto proceso con el que Madre Naturaleza dota de energía a las plantas, y así crear versiones artificiales de la fotosíntesis ahora que conocemos sus fundamentos cuánticos, tendríamos energía solar limpia, eficiente y sostenible como no podemos ni imaginar con nuestras actuales fotoceldas solares.

La posibilidad de que la transferencia de energía solar a las plantas por fotosíntesis implicara oscilaciones cuánticas fue sugerida hace más de 70 años, recuerda Greg Engel, quien firma el artículo en primer término. Esto es, cuando estaba naciendo la física cuántica y la noción de superposición de estados. Pero el movimiento ondulatorio producido entre las moléculas por los cuantos de luz (fotones) "no había sido observado hasta ahora", concluye el mismo Engel.

"La naturaleza tuvo dos mil 700 millones de años para perfeccionar la fotosíntesis, así que allí tenemos enormes lecciones que aún debemos aprender", continúa Engel. "Los resultados que estamos reportando en este último artículo, sin embargo, nos dan al menos una nueva forma de pensar acerca del diseño de futuros sistemas para producir fotosíntesis artificial."

La investigación fue patrocinada por el U.S. Department of Energy y el Miller Institute for Basic Research in Sciences. El Berkeley Lab, de la Universidad de California, produce investigación científica no clasificada (no secreta). Puede visitar su sitio web. Contactos: Lynn Yarris y con Greg Engel.

la talacha fue realizada por: eltemibledani