Tecnologie solari e sensoristiche più efficienti

Tecnologie solari e sensoristiche più efficienti grazie al connubio tra fisica quantistica e biochimica. È questo il risultato della ricerca ‘Enhanced energy transport in genetically engineered excitonic networks’, pubblicata dalla rivista Nature Materials. Lo studio è stato condotto

da un’équipe interdisciplinare di ricercatori internazionali dei Dipartimenti di fisica e astronomia e del Laboratorio europeo di spettroscopie non-lineari (Lens) dell’Università di Firenze e del Dipartimento di chimica dell’Università di Perugia, dell’Istituto nazionale di ottica del Consiglio nazionale delle ricerche (Ino-Cnr), del centro di ricerca Quantum Science and Technology in Arcetri (Qstar), del Massachussets Institute of Technology (Mit) e del Centro ricerche Eni Donegani di Novara. La ricerca rientra nell’ambito dell’accordo quadro Eni-Cnr e della partnership Eni-Mit siglata nel 2008.

Per raggiungere efficienze di trasporto ottimali ad imitazione dei sistemi naturali, il team di ricerca ha utilizzato antenne fotosintetiche artificiali sviluppate nei laboratori del Mit. Questi sistemi antenna sono stati ottenuti modificando geneticamente la struttura proteica di un virus innocuo e ancorando in punti precisi della struttura due tipi di cromofori, donatori (assorbitori di luce) ed accettori (emettitori di luce). 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 di eccitazione.

La fotosintesi naturale, responsabile della vita sulla Terra, avviene grazie ad un processo in cui la luce è catturata da un ‘antenna ricevente’ proteica e poi trasmessa da una catena di pigmenti ad essa legati, detti cromofori, alla ‘centrale energetica’, il centro di reazione, dove viene convertita in energia biologicamente sfruttabile.

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’ (eccitone) viene creata su diversi cromofori simultaneamente, percorrendo vari cammini in parallelo per trovare il percorso ottimale verso il centro di reazione. In queste condizioni, i movimenti molecolari attivi a temperatura ambiente invece che essere di ostacolo, come normalmente ci si dovrebbe aspettare, rendono i processi più veloci.

“Dopo un seminario tenuto dal Mit presso la nostra struttura – spiegano al Centro ricerche Eni Donegani – ci rendemmo conto che tali ‘sistemi antenna’ avrebbero potuto essere utilizzati, con alcune modifiche, per realizzare dispositivi solari ad elevata efficienza, sfruttando lo stesso processo di cattura della luce della fotosintesi naturale”. Eni si è fatta quindi promotrice di un nuovo progetto con il Mit per studiare i possibili fenomeni di trasporto quantistico in questi sistemi, coinvolgendo anche l’Ino-Cnr e il Lens dell’Università di Firenze.

“Per analizzare il trasporto energetico nei sistemi antenna – spiega Paolo De Natale direttore Ino-Cnr- abbiamo realizzato un esperimento in cui questi vengono stimolati tramite impulsi laser estremamente veloci, che vengono prima assorbiti dalle molecole donatore e poi riemessi da quelle accettore, permettendo così di misurare l’efficienza di trasporto. Per le strutture geneticamente modificate abbiamo misurato una propagazione dell’eccitone due volte più veloce rispetto alle stesse antenne a base di virus non modificato, e di conseguenza distanze di propagazione maggiori del 67%”.