Dentro de un laboratorio, los científicos están maravillados ante un extraño estado de la materia que se forma cuando los átomos alcanzan el cero absoluto. Pero fuera de la ventana, algo similar está ocurriendo en las hojas de los arboles que recogen la energía solar y la convierten en alimento. A simple vista no hay manera en que ambos procesos estén relacionados, pero una investigación de la Universidad de Chicago, sugiere que existe un vínculo entre la fotosíntesis y el ‘quinto estado de la materia’.
¿Qué es el ‘quinto estado de la materia’?
En la década de 1920, Satyendra Nath Bose y Albert Einstein describieron un estado desconocido de la materia, uno que únicamente podría alcanzarse a nivel cuántico y en una temperatura cercana al cero absoluto (0ºK o lo que es lo mismo a -273.15ºC). A dichas temperaturas los átomos permiten que la energía fluya entre ellos sin fricción alguna a través de un material dado. A tal estado se le llamo ‘el quinto estado de la materia’ o ‘condensado de excitones’.
Ahora más de un siglo después de que Bose y Einstein describieran el quinto estado de la materia, un grupo de investigadores han encontrado que tiene un extraño vínculo con la fotosíntesis. “Hasta donde sabemos, estas áreas nunca antes se habían conectado, por lo que encontramos esto muy convincente y emocionante”, dijo David Mazziotti, coautor del estudio.
Mazziotti y su equipo de investigadores, se especializan en modelar las complejas interacciones entre átomos y moléculas a medida que muestran propiedades interesantes. No hay manera de ver estas interacciones a simple vista, por lo que el modelado por computadora les brinda una ventana para comprender por qué ocurre el extraño comportamiento.
La fotosíntesis es un modelo de condensado de excitones
En particular, el equipo ha estado modelando lo que sucede a nivel molecular en el proceso de la fotosíntesis. Cuando un fotón del Sol golpea una hoja, provoca un cambio en una molécula especialmente diseñada para tales efectos y es entonces cuando la energía suelta un electrón. Los investigadores explican que el electrón, y el ‘agujero’ donde una vez estuvo, ahora pueden viajar alrededor de la hoja, llevando la energía del Sol a otra área donde desencadena una reacción química para producir azúcares para la planta.
El conjunto de un par de electrones junto con sus ‘huecos’, se comportan como un excitón. Al momento de modelar cómo se mueven múltiples excitones, los investigadores notaron algo sumamente extraño, vieron patrones en los caminos recorridos por los excitones que les parecieron notablemente familiares.
“Se parecía mucho al comportamiento de un material conocido como condensado de Bose-Einstein, a veces conocido como ‘el quinto estado de la materia’”, escribieron los autores. “En este material, los excitones pueden unirse en el mismo estado cuántico, algo así como un conjunto de campanas que suenan perfectamente afinadas, lo que permite que la energía se mueva alrededor del material sin fricción”.
Lo extraño es que la recolección de luz fotosintética se lleva a cabo en un sistema que está completamente a temperatura ambiente y además, tiene una estructura desordenada que es muy distinta de los materiales cristalizados prístinos y a temperaturas cercanas al cero absoluto que se usan para hacer los condensados de excitones.
Según Sager-Smith, coautor del estudio, el efecto de condensado en la fotosíntesis no es total. Es como un conjunto de ‘islas’ de condensados, algo así como la formación de cubitos de hielo en una taza de café caliente, “pero eso sigue siendo suficiente para mejorar la transferencia de energía en el sistema”.
La naturaleza sigue sorprendiendo a los científicos cuando se le estudia a nivel molecular, estudiar la correlación de electrones es esencial para capturar cómo funciona realmente la naturaleza.
Referencias: Sager, S. Mazziotti, D. et al. Exciton-Condensate-Like Amplification of Energy Transport in Light Harvesting. PRX Energy, DOI