Simulatori ottici di trasporto quantistico in sistemi fotosintetici e prospettive per nuove tecnologie per l’energia solare

FIRB 2010_RBFR10M3SB

Finanziamento del: Ministero dell’Istruzione, Università e Ricerca (MIUR)  
Calls: Futuro in ricerca 2010
Data inizio: 2012-03-09  Data fine: 2015-03-08
Budget totale: EUR 478.000,00  Quota INO del budget totale: EUR 134.600,00
Responsabile scientifico: Filippo Caruso    Responsabile scientifico per INO: Viciani Silvia

Principale Organizzazione/Istituzione/Azienda assegnataria: Università degli Studi di Firenze

altre Organizzazione/Istituzione/Azienda coinvolte:

altro personale INO coinvolto:
Viciani Silvia
Bellini Marco


Abstract: Quale sia il ruolo della meccanica quantistica all’interno di organismi biologici è stata una delle domande fondamentali della biologia del ventesimo secolo. Tuttavia, solo recentemente, grazie allo sviluppo di nuove tecniche sperimentali spettroscopiche, è stato possibile osservare effetti quantistici in biomolecole e, in particolare, in alcuni sistemi assorbitori di luce (noti come “light-harvesting systems”) che sono alla base dei processi fotosintetici in piante, alghe e batteri. In questi complessi biologici, l’energia dei fotoni solari assorbiti viene trasferita da un “centro di assorbimento” ad un “centro di reazione”, dove avviene l’effettiva fotosintesi, attraverso un meccanismo di trasporto ad altissima efficienza (superiore al 95%). E’ ormai ampiamente accreditata l’idea che siano proprio gli effetti quantistici a giocare un ruolo fondamentale nel rendere questo processo di trasporto così robusto ed efficiente.
Una completa comprensione di questi schemi di trasporto quantistico ad alta efficienza aiuterebbe quindi a chiarire il ruolo della meccanica quantistica in sistemi biologici, aprendo anche interessanti prospettive nel campo dell’energia solare. In particolare, potrebbe fornire informazioni utili per la sintesi di nuovi sistemi molecolari per la fotosintesi artificiale, che potrebbero imitare il comportamento dei sistemi fotosintetici naturali ed essere quindi impiegati per la realizzazione di una nuova generazione di dispositivi a energia solare molto efficienti.
In questo contesto, l’obiettivo principale di questa proposta è l’analisi teorica e la realizzazione sperimentale di simulatori ottici, realizzati esclusivamente con componentistica ottica, per riprodurre i meccanismi di trasporto dei sistemi fotosintetici, con particolare attenzione agli effetti quantistici che potrebbero essere responsabili dell’elevata efficienza del trasferimento energetico (ad esempio, il meccanismo del “trasporto assistito da rumore”, la soppressione degli stati “dark” e l’entanglement). Il ruolo dell’eccitazione elettronica in una particolare molecola biologica sarà giocato dalla presenza o dall’assenza di un singolo fotone (il quanto di eccitazione del campo elettromagnetico) in un dato modo spaziale o temporale del campo. L’apparato migliore per simulare il sistema di interazione a molti-corpi del complesso fotosintetico dovrà essere un buon compromesso fra la complessità del sistema reale e il grado di fattibilità sperimentale. Conseguentemente, per ottenere l’ambizioso obiettivo di questa proposta, saranno necessari sia un lavoro di tipo teorico, in grado di identificare un modello ottico che simuli “il più possibile” la complessità dei sistemi biologici, che un lavoro di tipo sperimentale, in grado di realizzare praticamente un tale sistema con parametri controllabili e misurabili. Il confronto fra simulazioni numeriche dei modelli teorici e misure sperimentali permetterà di identificare, realizzare e caratterizzare il simulatore ottico con le migliori caratteristiche di scalabilità, controllabilità e fattibilità.
Diversamente da ciò che può essere fatto con un campione biologico reale, il grande vantaggio di avere a che fare con un apparato ottico è la possibilità di avere un controllo diretto su tutti i parametri del sistema. Infatti, ad esempio, sarà possibile inizializzare il sistema ottico in un qualsiasi stato quantistico arbitrario ben definito; oppure sarà possibile aggiustare l’accoppiamento fra differenti modi/molecole e l’effetto del rumore all’interno dello schema di trasferimento dell’eccitazione; o, ancora, sarà possibile misurare sia gli stati intermedi che lo stadio finale del sistema, permettendo così di monitorare completamente l’evoluzione dell’eccitazione e il suo trasporto attraverso la rete ottica. Inoltre, se sarà disponibile un apparato sperimentale sufficientemente riconfigurabile, potremo investigare gli effetti dovuti a differenti topologie. Ovviamente, è impossibile avere un tale tipo di controllo quando si analizzano sistemi fotosintetici naturali, e, anche nel caso di molecole fotosintetiche artificiali, il loro notevole costo di produzione impedisce la possibilità di poterle manipolare liberamente e di poterne studiare differenti configurazioni. Al contrario, il nostro simulatore ci permetterà di avere accesso ad uno spazio di parametri ampio e perfettamente controllabile, dove il diretto monitoraggio dell’evoluzione quantistica del sistema ci condurrà ad una migliore comprensione degli effetti quantistici che influenzano i meccanismi del trasferimento energetico.
Perciò, il confronto fra i risultati sperimentali, ottenuti per differenti configurazioni ottiche, e le previsioni numeriche, calcolate secondo i modelli teorici opportunamente implementati per questo scopo, ci permetterà di modellizzare e analizzare più a fondo i processi coinvolti nel trasferimento energetico in reti biologiche quantistiche. Questo studio potrà, infine, aprire la strada per lo sviluppo di sistemi sintetici per la fotosintesi, realizzati con geometrie molecolari completamente nuove, che potrebbero essere usate per future tecnologie per l’energia solare, molto più efficienti e, conseguentemente, strategicamente importanti.

Esperimenti/Studi INO correlati:
Optical simulators of quantum transport in photosynthetic systems and prospects for new solar energy technologies
Quantum light state engineering