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Vínculo descubierto entre la fotosíntesis y el «quinto estado de la materia»

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Vínculo descubierto entre la fotosíntesis y el «quinto estado de la materia»

Un estudio de la Universidad de Chicago ha encontrado conexiones a nivel atómico entre la fotosíntesis y los condensados ​​de excitones, un extraño estado físico que permite que la energía fluya sin fricción a través de un material. El hallazgo es científicamente intrigante y puede sugerir nuevas formas de pensar sobre el diseño electrónico, dijeron los autores.

photosynthesis and exciton condensates, a state of physics that allows energy to flow without friction. This surprising finding, typically associated with materials well below room temperature, may inform future electronic design and help unravel complex atomic interactions.

Inside a lab, scientists marvel at a strange state that forms when they cool down atoms to nearly absolute zero. Outside their window, trees gather sunlight and turn them into new leaves. The two seem unrelated—but a new study from the University of Chicago suggests that these processes aren’t so different as they might appear on the surface.

The study, published in PRX Energy on April 28, found links at the atomic level between photosynthesis and exciton condensates—a strange state of physics that allows energy to flow frictionlessly through a material. The finding is scientifically intriguing and may suggest new ways to think about designing electronics, the authors said.

“As far as we know, these areas have never been connected before, so we found this very compelling and exciting,” said study co-author Prof. David Mazziotti.

Mazziotti’s lab specializes in modelling the complicated interactions of atoms and molecules as they display interesting properties. There’s no way to see these interactions with the naked eye, so computer modeling can give scientists a window into why the behavior happens—and can also provide a foundation for designing future technology.

In particular, Mazziotti and study co-authors Anna Schouten and LeeAnn Sager-Smith have been modelling what happens at the molecular level when photosynthesis occurs.

When a photon from the sun strikes a leaf, it sparks a change in a specially designed molecule. The energy knocks loose an electron. The electron, and the “hole” where it once was, can now travel around the leaf, carrying the energy of the sun to another area where it triggers a chemical reaction to make sugars for the plant.

Together, that traveling electron-and-hole-pair is referred to as an “exciton.” When the team took a birds-eye view and modeled how multiple excitons move around, they noticed something odd. They saw patterns in the paths of the excitons that looked remarkably familiar.

In fact, it looked very much like the behavior in a material that is known as a Bose-Einstein condensate, sometimes known as ‘the fifth state of matter.’ In this material, excitons can link up into the same quantum state—kind of like a set of bells all ringing perfectly in tune. This allows energy to move around the material with zero friction. (These sorts of strange behaviors intrigue scientists because they can be the seeds for remarkable technology—for example, a similar state called superconductivity is the basis for MRI machines).

They saw patterns in the paths of the excitons that looked remarkably familiar.

According to the models created by Schouten, Sager-Smith and Mazziotti, the excitons in a leaf can sometimes link up in ways similar to exciton condensate behavior.

This was a huge surprise. Exciton condensates have only been seen when the material is cooled down significantly below room temperature. It’d be kind of like seeing ice cubes forming in a cup of hot coffee.

“Photosynthetic light harvesting is taking place in a system that is at room temperature and what’s more, its structure is disordered—very unlike the pristine crystallized materials and cold temperatures that you use to make exciton condensates,” explained Schouten.

This effect isn’t total—it’s more akin to “islands” of condensates forming, the scientists said. “But that’s still enough to enhance energy transfer in the system,” said Sager-Smith. In fact, their models suggest it can as much as double the efficiency. 

This opens up some new possibilities for generating synthetic materials for future technology, Mazziotti said. “A perfect ideal exciton condensate is sensitive and requires a lot of special conditions, but for realistic applications, it’s exciting to see something that boosts efficiency but can happen in ambient conditions.”

Mazziotti said the finding also plays into a broader approach his team has been exploring for a decade.

The interactions between atoms and molecules in processes like photosynthesis are incredibly complex—difficult even for a supercomputer to handle—so scientists have traditionally had to simplify their models in order to get a handle on them. But Mazziotti thinks some parts need to be left in: “We think local correlation of electrons are essential to capturing how nature actually works.”

The study was partially supported by the National Science Foundation’s QuBBE Quantum Leap Challenge Institute.

Reference: “Exciton-Condensate-Like Amplification of Energy Transport in Light Harvesting” by Anna O. Schouten, LeeAnn M. Sager-Smith and David A. Mazziotti, 28 April 2023, PRX Energy.
DOI: 10.1103/PRXEnergy.2.023002

Funding: U.S. National Science Foundation, U.S. Department of Energy.

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Comparación de la tripulación comercial Boeing Starliner y SpaceX Dragon de la NASA

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Los astronautas despegarán desde Cabo Cañaveral en su primer vuelo espacial tripulado en casi 56 años.

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Los astronautas despegarán desde Cabo Cañaveral en su primer vuelo espacial tripulado en casi 56 años.

TAMPA, Fla. (WFLA) – Por primera vez en más de medio siglo, los astronautas despegarán de la estación espacial en Cabo Cañaveral, Florida, la próxima semana.

Si todo va según lo planeado, la nave espacial Boeing Starliner en un cohete Atlas V se lanzará desde Cabo Cañaveral, lo que será la primera vez que humanos despeguen desde la estación espacial en casi 56 años.

La última vez que se lanzó un ser humano al espacio desde Ciudad del Cabo fue a bordo del Apolo 7 en 1968.

Los dos astronautas de la NASA asignados al primer vuelo espacial tripulado de Boeing, Butch Wilmore y Suni Williams, llegaron a su sitio de lanzamiento la semana pasada, poco más de una semana antes de su despegue programado para el 6 de mayo.

Wilmore y Williams volaron desde Houston al Centro Espacial Kennedy el 25 de abril y servirán como pilotos de pruebas para la cápsula Starliner de Boeing, que hace su debut con tripulación después de años de retrasos.

El Starliner, que despegará el viernes sobre un cohete Atlas, volará a la Estación Espacial Internacional para un crucero de prueba de una semana. Boeing está tratando de alcanzar a SpaceX, que lanza astronautas para la NASA desde 2020.

En los dos vuelos de prueba anteriores del Starliner de Boeing no había nadie a bordo. El primero, en 2019, no he aprobado a la estación espacial debido a problemas de software y otros. boeing repetí la demostración en 2022. Más recientemente, la cápsula era presa por problemas con los paracaídas y cinta inflamable que hubo que retirar.

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Wilmore enfatizó que se trataba de un vuelo de prueba destinado a descubrir todo lo que estaba mal.

“¿Esperamos que esto salga perfecto? Este es el primer vuelo humano de la nave espacial”, dijo a los periodistas. «Estoy seguro de que descubriremos cosas». Por eso hacemos esto.

La NASA contrató a SpaceX y Boeing hace una década, pagándoles miles de millones de dólares para transportar astronautas hacia y desde la estación espacial. La agencia espacial todavía quiere tener dos cápsulas para sus astronautas, incluso si la estación espacial cerrará en 2030.

«Es de vital importancia», señaló Wilmore.

Wilmore y Williams serán los primeros astronautas en viajar en un cohete Atlas desde el Proyecto Mercurio de la NASA a principios de los años 1960.

La Prensa Asociada contribuyó a este informe.

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El sol arde cerca de una erupción solar de Clase X: la llamarada M9,5 provoca cortes de radio en todo el Pacífico (vídeo)

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El sol arde cerca de una erupción solar de Clase X: la llamarada M9,5 provoca cortes de radio en todo el Pacífico (vídeo)

Anoche (30 de abril), el sol desató una llamarada solar extremadamente poderosa, provocando cortes de radio generalizados en toda la región del Pacífico. La erupción alcanzó su punto máximo a las 19:46 EDT (23:46 GMT) y terminó poco después a las 19:58 EDT (23:58 GMT).

Erupciones solares son erupciones de el solque emiten intensas ráfagas de radiación electromagnética. Se crean cuando la energía magnética se acumula en la atmósfera solar y se libera. Las erupciones solares se clasifican por tamaño en grupos de letras, siendo la clase X la más potente. Luego están las bengalas de Clase M que son 10 veces más débiles que las bengalas de Clase X, seguidas por las bengalas de Clase C que son 10 veces más débiles que las bengalas de Clase M, las bengalas de Clase B son 10 veces más débiles que las bengalas de Clase C y finalmente, las bengalas de Clase A que son 10 veces más débiles que las bengalas de Clase B y tienen sin consecuencias notables en la Tierra.

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