In prospettiva futura le tecnologie solari saranno sempre più centrali per una civiltà che ha bisogno di diventare più sostenibile. Proprio per questo la scoperta che possano diventare più efficienti grazie al connubio tra fisica quantistica e biochimica ha un peso particolare, ed è proprio questo il risultato della ricerca Enhanced energy transport in genetically engineered excitonic networks, pubblicata sulla rivista Nature Materials.
La fotosintesi avviene in natura grazie a un processo in cui la luce è catturata da una ‘antenna ricevente’ proteica e poi trasmessa da una catena di pigmenti a questa legati – detti cromofori – alla ‘centrale energetica’, il centro di reazione dove viene convertita in energia biologicamente sfruttabile. Per ottenere un’efficienza di trasporto paragonabile a quella dei sistemi naturali, il team di ricerca ha utilizzato delle antenne fotosintetiche artificiali sviluppate nei laboratori del Mit. Questi sistemi sono stati ottenuti modificando geneticamente la struttura proteica di un virus innocuo e ancorando in punti precisi della struttura due tipi di cromofori: i donatori (che assorbono la luce) e gli accettori (che la emettono). La manipolazione genetica del virus consente di controllare la distanza tra i punti di supporto dei cromofori e, di conseguenza, la forza di interazione tra gli stessi, responsabile a sua volta dell’efficienza di trasporto dell’energia. Mentre il processo fotosintetico nel suo complesso ha efficienze inferiori all’1%, il trasporto di energia sotto forma di eccitazione elettronica ha un’efficienza quasi del 100% anche a temperatura ambiente, di gran lunga superiore a quella delle migliori celle solari. Risultati sperimentali supportati da modelli teorici hanno dimostrato negli ultimi anni che, alla base di questa straordinaria efficienza, vi sono effetti spiegati solo dai principi della fisica quantistica, per cui l’unità energetica viene creata su diversi cromofori simultaneamente, percorrendo percorsi paralleli per trovare quello migliore verso il centro di reazione. In queste condizioni i movimenti molecolari attivi a temperatura ambiente invece che essere di ostacolo rendono i processi più veloci.
“Lo studio – commenta Filippo Caruso, del Dipartimento di Fisica e astronomia – verifica sperimentalmente quanto scoperto a livello teorico sull’importanza del rumore esterno e di effetti quantistici per spiegare il trasporto energetico su complesse strutture fotosintetiche di batteri probabili progenitori della vita sulla Terra, e rappresenta quindi un fondamentale passo in avanti verso nuove tecnologie quantistiche per il solare e per la sensoristica, ispirate a quanto la natura fa in maniera eccellente e con estremo successo da miliardi di anni.”
Lo studio è stato condotto da un’équipe internazionale di ricercatori del Dipartimento di Fisica e astronomia e del Laboratorio europeo di spettroscopie non-lineari dell’Università di Firenze, del centro di ricerca Quantum Science and Technology in Arcetri, del Dipartimento di Chimica dell’Università di Perugia, dell’Istituto nazionale di ottica del Consiglio nazionale delle ricerche, del Massachussets Institute of Technology (Mit) e del Centro ricerche Eni di Novara.
