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Dentro de um laboratório, os cientistas se maravilham com um estranho estado que se forma quando eles resfriam os átomos até quase o zero absoluto. Do lado de fora da janela, as árvores recebem a luz do sol e as transformam em novas folhas. Os dois parecem não estar relacionados – mas um novo estudo da Universidade de Chicago sugere que esses processos não são tão diferentes quanto podem parecer na superfície.
O estudo, publicado na PRX Energia em 28 de abril, encontrou ligações no nível atômico entre a fotossíntese e os condensados de excitons – um estranho estado da física que permite que a energia flua sem atrito através de um material. A descoberta é cientificamente intrigante e pode sugerir novas maneiras de pensar sobre o design de eletrônicos, disseram os autores.
“Até onde sabemos, essas áreas nunca foram conectadas antes, então achamos isso muito atraente e empolgante”, disse o co-autor do estudo, Prof. David Mazziotti.
O laboratório de Mazziotti é especializado em modelar as complicadas interações de átomos e moléculas à medida que exibem propriedades interessantes. Não há como ver essas interações a olho nu, então a modelagem por computador pode dar aos cientistas uma janela para por que o comportamento acontece – e também pode fornecer uma base para projetar tecnologia futura.
Em particular, Mazziotti e as coautoras do estudo, Anna Schouten e LeeAnn Sager-Smith, modelaram o que acontece no nível molecular quando ocorre a fotossíntese.
Quando um fóton do sol atinge uma folha, ele provoca uma mudança em uma molécula especialmente projetada. A energia derruba um elétron. O elétron, e o “buraco” onde antes estava, agora pode viajar ao redor da folha, levando a energia do sol para outra área onde desencadeia uma reação química para produzir açúcares para a planta.
Juntos, esse par elétron-e-buraco itinerante é chamado de “exciton”. Quando a equipe teve uma visão panorâmica e modelou como vários excitons se movem, eles notaram algo estranho. Eles viram padrões nos caminhos dos excitons que pareciam notavelmente familiares.
Na verdade, parecia muito com o comportamento de um material conhecido como condensado de Bose-Einstein, às vezes conhecido como ‘o quinto estado da matéria’. Neste material, os éxcitons podem se conectar no mesmo estado quântico – como um conjunto de sinos tocando perfeitamente em sintonia. Isso permite que a energia se mova ao redor do material com fricção zero. (Esse tipo de comportamento estranho intriga os cientistas porque pode ser a semente de uma tecnologia notável – por exemplo, um estado semelhante chamado supercondutividade é a base para máquinas de ressonância magnética).
De acordo com os modelos criados por Schouten, Sager-Smith e Mazziotti, os éxcitons em uma folha às vezes podem se ligar de maneira semelhante ao comportamento condensado do exciton.
Esta foi uma grande surpresa. Os condensados de Exciton têm apenas observado quando o material é resfriado significativamente abaixo da temperatura ambiente. Seria como ver cubos de gelo se formando em uma xícara de café quente.
“A colheita de luz fotossintética está ocorrendo em um sistema que está à temperatura ambiente e, além disso, sua estrutura é desordenada – muito diferente dos materiais cristalizados primitivos e temperaturas frias que você usa para fazer condensados de excitons”, explicou Schouten.
Este efeito não é total – é mais parecido com a formação de “ilhas” de condensados, disseram os cientistas. “Mas isso ainda é suficiente para aumentar a transferência de energia no sistema”, disse Sager-Smith. Na verdade, seus modelos sugerem que pode dobrar a eficiência.
Isso abre algumas novas possibilidades para a geração de materiais sintéticos para tecnologia futura, disse Mazziotti. “Um condensado de exciton ideal perfeito é sensível e requer muitas condições especiais, mas para aplicações realistas, é emocionante ver algo que aumenta a eficiência, mas pode acontecer em condições ambientais”.
Mazziotti disse que a descoberta também contribui para uma abordagem mais ampla que sua equipe vem explorando há uma década.
As interações entre átomos e moléculas em processos como a fotossíntese são incrivelmente complexas – difíceis até para um supercomputador lidar – então os cientistas tradicionalmente tiveram que simplificar seus modelos para poder lidar com eles. Mas Mazziotti acha que algumas partes precisam ser deixadas: “Achamos que a correlação local de elétrons é essencial para capturar como a natureza realmente funciona”.
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