Le stranezze della fisica quantistica

Scoprire nuovi modi per produrre energia in modo pulito è una sfida fondamentale per questo secolo. La fonte di maggiore ispirazione in questo senso è la fotosintesi, attualmente il più grande processo di conversione di energia sulla Terra. La fotosintesi permette la cattura di energia solare e la sua successiva trasformazione in energia chimica, direttamente utilizzabile per le funzioni vitali degli organismi fotosintetici. Tale processo ha sempre affascinato gli studiosi 

per la sua precisione e la complessità dei principi fisici alla base del suo funzionamento.

Di particolare interesse è la prima fase di questo processo, generalmente nota come light-harvesting (o “raccolta” della luce, LH), che consiste nell’assorbimento di luce solare ad opera di complessi multicromoforici altamente specializzati, detti complessi antenna, ed il  successivo trasferimento dell’enegia catturata ai centri di reazione, dove viene poi utilizzata per promuovere i trasferimenti di carica alla base delle reazioni fotosintetiche. L’interesse verso il LH è motivato soprattutto dal fatto che la comprensione del processo naturale può essere di grande ispirazione per nuove applicazioni tecnologiche, ad esempio nei campi della fotovoltaica, delle celle a combustibile e dei sensori. Sebbene molto sia noto riguardo al meccanismo generale del processo di LH, sono ancora numerosi gli aspetti di cui non si ha piena comprensione, soprattutto legati alla sua straordinaria efficienza ed ai raffinati meccanismi di controllo che permettono un efficace adattamento degli organismi alle diverse condizioni di illuminazione. È chiaro quindi che una maggiore comprensione delle dinamiche e dei meccanismi del fenomeno naturale potrebbe stimolare il design e la realizzazione di dispositivi artificiali a più alta efficienza.

Uno dei più recenti sviluppi è la scoperta che il processo di LH in complessi antenna naturali non avviene seguendo le leggi cinetiche della fisica classica, ma attraverso meccanismi di tipo quantistico[1]. Tali meccanismi potrebbero favorire la trasmissione dell’energia di eccitazione forzando i cromofori a ‘lavorare’ collettivamente. Si parla in questo caso di coerenza quantistica. Questo si verifica quando l’energia di eccitazione, anziché spostarsi da un sito all’altro in modo casuale  dissipandosi ad ogni passaggio, viene invece istantaneamente condivisa tra diverse molecole, dando origine a stati quantomeccanici fortemente delocalizzati. Dal punto di vista microscopico, le implicazioni di un meccanismo quantistico-coerente di questo genere possono essere più facilmente comprese analizzando il cammino percorso dall’energia di eccitazione all’interno di un singolo complesso antenna: la sovrapposizione di stati creata durante l’eccitazione permette a questa di testare contemporaneamente e reversibilmente diversi cammini e quindi direzionare il trasferimento di energia (per esempio, verso il centro di reazione) nel modo più efficiente. Questo meccanismo contrasta con il modello classico, in cui l’eccitazione si sposta casualmente ed irreversibilmente da un cromoforo all’altro (fig. 1).

Figura 1

Un aspetto particolarmente interessante è che il fenomeno di coerenza quantistica sembra restare attivo per un tempo significativamente più lungo rispetto a quello che si potrebbe prevedere sulla base della dinamica di interazione con l’ambiente esterno. Ciò ha suggerito che  la struttura del complesso ed il suo intorno abbiano un ruolo non trascurabile nel garantire l’esistenza di un tale meccanismo[2].

È anche importante ricordare che tale scoperta è stata possibile solo grazie allo sviluppo della tecnica di spettroscopia elettronica bidimensionale (2D electronic spectroscopy, 2D ES): una tecnica che, avvalendosi di luce laser impulsata, è in grado di seguire in tempo reale il flusso di energia tra i diversi cromofori coinvolti nel processo di LH, con una risoluzione temporale dell’ordine dei femtosecondi  (milionesimi di miliardesimo di secondo). La figura riportata sotto (fig. 2) mostra un esempio di uno spettro 2D ottenuto a temperatura ambiente per il complesso antenna PC645 estratto da Chroomonas CCMP270 (pannello a)[1]. Le oscillazioni del segnale sperimentale (pannello b) e simulato (pannello c) possono essere associate alla presenza di meccanismi coerenti di trasferimento di energia[1][3].

Figura 2

Attraverso tecniche di questo tipo è stato possibile verificare la presenza di trasferimenti di energia di tipo coerente non solo in sistemi biologici ma anche in un sistema artificiale, in particolare il polimero coniugato MEH-PPV (fig. 3) [4].

 

Figura 3

La prova che  meccanismi coerenti possono giocare un ruolo chiave anche in sistemi artificiali ha ispirato nuovi principi guida per la progettazione di sistemi fotosintetici artificiali, aprendo una via rivoluzionaria per l’uso efficace di sistemi biologici e polimeri coniugati come dispositivi quantistici o risorse quantistiche per l’elaborazione dell’informazione.

A questo proposito risulta naturale porsi due domande di carattere generale: qual è l’origine di questi meccanismi coerenti? È possibile otterne il controllo? La risposta risiede probabilmente nel ruolo rivestito da fattori strutturali, che agendo attraverso specifici modi vibrazionali sarebbero in grado di ‘preservare’ la correlazione di fase tra i diversi siti durante la migrazione dell’energia di eccitazione.

Questa è l’ipotesi che il progetto QUENTRHEL, recentemente finanziato con un milione e mezzo di euro nell’ambito del programma europeo ERC-Starting Grants, facendosi largo in un’agguerrita concorrenza internazionale, cercherà di verificare.

L’obiettivo principale del progetto QUENTRHEL è di fare un passo avanti rispetto alle attuali conoscenze riguardo a meccanismi coerenti di trasferimento energetico, verificando la possibile presenza di relazioni specifiche tra la struttura dei sistemi e meccanismi coerenti. Ciò garantirebbe la formulazione di linee guida per il design di nuovi sistemi artificiali in cui effetti quantistici siano opportunamente ingegnerizzati, introducendo nuovi paradigmi nel controllo degli stati elettronici e sfruttando  selettivamente gli strumenti offerti dalla natura.

La sfida principale sarà quella di sviluppare nuovi metodi spettroscopici in grado di rivelare la presenza e la natura di modi vibrazionali che agiscano durante la migrazione di energia e che eventualmente ne decidano la natura coerente. A questo scopo, è stata progettata una nuova variante della tecnica di spettroscopia elettronica bidimensionale basata sull’utilizzo di luce polarizzata. Tale variante dovrebbe, in principio, possedere sia la capacità di rilevare effetti coerenti, tipica delle tecniche 2D, sia la sensibilità a deformazioni strutturali, tipica delle tecniche a luce polarizzata. Inoltre, anzichè centrare l’attenzione su complessi antenna biologici, questo progetto studierà principalmente sistemi artificiali di sintesi, più stabili e più facili da sintetizzare, manipolare e modificare ad hoc. L’attenzione sarà principalmente focalizzata su sistemi multicromoforici con strutture ad elica che mimano un motivo ricorrente in sistemi biologici caratterizzati dalla presenza di processi di trasferimento di energia estremamente efficienti. La struttura elicoidale potrebbe agire infatti da templante nel direzionare la migrazione di energia favorendo meccanismi quantistico-coerenti.

 

Bibliografia

[1] Collini, E.; Wong, C. Y.; Wilk, K. E.; Curmi, P. M. G.; Brumer, P.; Scholes, G. D., “Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature”, Nature 2010, 463, 644.

[2] Engel, G. S.; Calhoun, T. R.; Read, E. L.; Ahn, T. K.; Mancal, T.; Cheng, Y. C.; Blankenship, R. E.; Fleming, G. R., “Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems”, Nature2007, 446, 782.

[3] Pisliakov, A. V.; Mancal, T.; Fleming, G. R., “Two-dimensional optical three-pulse photon echo spectroscopy. II. Signatures of coherent electronic motion and exciton population transfer in dimer two-dimensional spectra”, J. Chem. Phys. 2006, 124, 234505.

[4] Collini, E.; Scholes, G. D., “Coherent Intrachain Energy Migration in a Conjugated Polymer at Room Temperature”, Science 2009, 323, 369.

fonte:  Elisabetta Collini