All’interno di un laboratorio, gli scienziati si meravigliano di uno strano stato che si forma quando raffreddano gli atomi quasi allo zero assoluto. Fuori dalla loro finestra, gli alberi raccolgono la luce del sole e li trasformano in nuove foglie. I due sembrano non correlati, ma un nuovo studio dell’Università di Chicago suggerisce che questi processi non sono così diversi come potrebbero apparire in superficie.
Lo studio, pubblicato in Energia PRX il 28 aprile, ha trovato collegamenti a livello atomico tra fotosintesi e condensati di eccitoni, uno strano stato fisico che consente all’energia di fluire senza attrito attraverso un materiale. La scoperta è scientificamente intrigante e potrebbe suggerire nuovi modi di pensare alla progettazione dell’elettronica, hanno detto gli autori.
“Per quanto ne sappiamo, queste aree non sono mai state collegate prima, quindi lo abbiamo trovato molto avvincente ed eccitante”, ha affermato il coautore dello studio, il prof. David Mazziotti.
Il laboratorio di Mazziotti è specializzato nella modellazione delle complicate interazioni di atomi e molecole che mostrano proprietà interessanti. Non c’è modo di vedere queste interazioni ad occhio nudo, quindi la modellazione al computer può dare agli scienziati una finestra Perché il comportamento si verifica e può anche fornire una base per progettare la tecnologia futura.
In particolare, Mazziotti e i coautori dello studio Anna Schouten e LeeAnn Sager-Smith hanno modellato ciò che accade a livello molecolare quando si verifica la fotosintesi.
Quando un fotone proveniente dal sole colpisce una foglia, provoca un cambiamento in una molecola appositamente progettata. L’energia libera un elettrone. L’elettrone, e il “buco” dov’era una volta, possono ora viaggiare intorno alla foglia, portando l’energia del sole in un’altra area dove innesca una reazione chimica per produrre zuccheri per la pianta.
Insieme, quella coppia di elettroni e lacune in viaggio viene definita “eccitone”. Quando il team ha preso una visione a volo d’uccello e ha modellato il modo in cui si muovono più eccitoni, hanno notato qualcosa di strano. Hanno visto schemi nei percorsi degli eccitoni che sembravano straordinariamente familiari.
In effetti, assomigliava molto al comportamento di un materiale noto come condensato di Bose-Einstein, a volte noto come “il quinto stato della materia”. In questo materiale, gli eccitoni possono collegarsi nello stesso stato quantico, un po’ come una serie di campane che suonano tutte perfettamente intonate. Ciò consente all’energia di muoversi attorno al materiale senza attrito. (Questi tipi di strani comportamenti incuriosiscono gli scienziati perché possono essere i semi per una tecnologia straordinaria – ad esempio, uno stato simile chiamato superconduttività è la base per le macchine per la risonanza magnetica).
Secondo i modelli creati da Schouten, Sager-Smith e Mazziotti, gli eccitoni in una foglia possono a volte collegarsi in modi simili al comportamento dell’eccitone condensato.
Questa è stata una grande sorpresa. I condensati di eccitoni hanno soltanto stato osservato quando il materiale si è raffreddato notevolmente al di sotto della temperatura ambiente. Sarebbe un po’ come vedere dei cubetti di ghiaccio che si formano in una tazza di caffè caldo.
“La raccolta della luce fotosintetica avviene in un sistema che è a temperatura ambiente e per di più, la sua struttura è disordinata, molto diversa dai materiali cristallizzati incontaminati e dalle basse temperature che si usano per produrre condensati di eccitoni”, ha spiegato Schouten.
Questo effetto non è totale: è più simile alla formazione di “isole” di condensa, hanno detto gli scienziati. “Ma è ancora sufficiente per migliorare il trasferimento di energia nel sistema”, ha affermato Sager-Smith. In effetti, i loro modelli suggeriscono che può raddoppiare l’efficienza.
Questo apre alcune nuove possibilità per la generazione di materiali sintetici per la tecnologia futura, ha detto Mazziotti. “Un perfetto condensato di eccitoni ideale è sensibile e richiede molte condizioni speciali, ma per applicazioni realistiche è emozionante vedere qualcosa che aumenta l’efficienza ma può accadere in condizioni ambientali”.
Mazziotti ha affermato che la scoperta gioca anche in un approccio più ampio che il suo team ha esplorato per un decennio.
Le interazioni tra atomi e molecole in processi come la fotosintesi sono incredibilmente complesse, difficili da gestire anche per un supercomputer, quindi gli scienziati hanno tradizionalmente dovuto semplificare i loro modelli per poterli gestire. Ma Mazziotti pensa che alcune parti debbano essere lasciate: “Pensiamo che la correlazione locale degli elettroni sia essenziale per catturare come funziona effettivamente la natura”.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
