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La Forma Efectiva de Conducir Electrones de la Naturaleza

Por:  Dr. Olivier Alirol, Investigador de Resonance Science Foundation

La circulación de electrones es esencial en la electrónica y también para los organismos vivos. Mientras que en nuestros computadores utilizamos semiconductores hechos principalmente de cristal de silicio, la naturaleza ha encontrado una forma más eficiente: las proteínas. Las estructuras de las proteínas facilitan la transferencia de electrones a larga distancia. Los científicos han demostrado que las características estructurales de las proteínas tienen elementos que facilitan la conductividad electrónica.

Este fenómeno se debe en gran medida a la selectividad de espín inducida quiral (CISS, por sus siglas en inglés). En particular esto provoca la reducción de la retrodispersión elástica en la transferencia de electrones a través de moléculas quirales. De hecho, la transmisión de electrones muestra que las películas ordenadas de moléculas orgánicas quirales, actúan como filtros de espín de los electrones. El efecto CISS nos da una visión importante de los procesos selectivos de espín en biología y permite el uso de moléculas quirales en aplicaciones de espintrónica.

El proceso de transferencia de electrones permite la transferencia de energía e información de un lugar a otro del organismo vivo. Por lo tanto, una transferencia de electrones eficiente es esencial para la vida.

 

Este efecto quiral está presente sobre todo en las moléculas de ADN o en el proceso de fotosíntesis. En el primer caso, se observa una selectividad de espín que podría desempeñar un papel esencial a nivel cuántico para codificar la información. La implicación de los electrones en la transmisión de información y el efecto CISS dentro del polímero de ADN quiral, ha sido confirmada por estudios anteriores: por ejemplo, El ADN actúa como un cable para conducir señales de electrones entre las proteínas para la reparación y la replicación (DNA Acts Like a Wire to Conduct Electron Signals Between Proteins for Repair and Replication).

En la fotosíntesis, la alta conductividad del electrón es un componente clave dentro de los complejos proteicos-pigmentarios fotosintéticos. La conductividad del aparato fotosintético se debe a su estructura geométrica y atómica. La función principal de los complejos captadores de luz es recoger la energía lumínica y transferirla a los centros de reacción para los procesos redox fotoinducidos en los que es esencial una alta y eficiente transferencia de electrones.

La maquinaria fotosintética produce electrones de alta energía que deberían reaccionar rápidamente con otros átomos dentro del complejo. Sin embargo, debido a la estructura molecular única y a las propiedades cuánticas de las biomoléculas dentro del sistema vivo, los electrones de alta energía se transfieren con una eficiencia del 100% dentro del núcleo fotosintético. Este es el resultado opuesto al que esperaban los físicos, que generalmente consideran la célula como un entorno desorganizado y caótico que debería ser totalmente inhóspito para mantener estados cuánticos. Sin embargo, debido a la estructura única de las biomoléculas, que produce propiedades como el efecto CISS, se observa que la maquinaria celular es capaz de transmitir electrones de alta energía con una eficiencia del 100%, un nivel de eficiencia que sólo suele verse en los superconductores.

La estructura quiral nonamérica del complejo periférico de captación de luz (LH2). Vista perpendicular al plano de la membrana y vistas paralelas a la membrana. El polipéptido α está coloreado en amarillo y el polipéptido β en verde.

Debido al efecto CISS, la transferencia de electrones en las moléculas quirales depende del espín. El fenómeno es especialmente visible en la transmisión selectiva de espín de los electrones a través de monocapas autoensambladas de ADN de doble cadena. En este caso, la polarización de espín es mayor que la de cualquier otro filtro de espín conocido y los fotoelectrones polarizados por espín se observan incluso cuando los fotoelectrones se generan con luz no polarizada.

Imagen de arriba hacia abajo: radiación láser polarizada lineal- electrones polarizados transmitidos a través de la capa quiral - monocapa de dsADN- fotoelectrones no polarizados (radiación polarizada lineal)- sustrato de oro
Esquema que describe la monocapa de dsDNA como filtro de espín. Los electrones no polarizados son expulsados del sustrato de oro por una luz linealmente polarizada. La mayoría de los electrones que se transmiten a través del ADN están polarizados con su espín alineado de forma antiparalela a su velocidad. Los electrones que no se transmiten, son capturados por el ADN y hacen un túnel de vuelta al sustrato conectado a tierra dentro del periodo de tiempo entre dos pulsos láser.

En un artículo reciente, se propuso un modelo numérico para comprender el efecto CISS. Xu Yang, de la Universidad de Groningen, presentó un modelo de transmisión de electrones que evalúa el papel del efecto CISS en experimentos de transporte de electrones de régimen lineal de dos terminales y multiterminales. Reveló que, en el caso del efecto CISS, la transmisión de espín dependiente de la quiralidad va acompañada de un proceso de reflexión de electrones con giro de espín.

Esto sería una gran contribución a la sociedad, ya que puede permitir un enfoque totalmente nuevo para el futuro de la electrónica.

 

RSF en Perspectiva:

El efecto del espín del electrón en la biología molecular ilustra cómo la mecánica cuántica está íntimamente relacionada con la biología molecular. También muestra cómo la Naturaleza está utilizando la información cuántica como un computador cuántico para almacenar y gestionar los datos en sus procesos centrales. Y todo está girando.

"Cuando estudiamos los sistemas físicos de la naturaleza, podemos ver fácilmente que hay patrones fundamentales que se pueden encontrar en todas las escalas observables" - Nassim Haramein


Lee más en:

Phys.org: Theoretical model may help solve molecular mystery

Physical Review B:  Spin-dependent electron transmission model for chiral molecules in mesoscopic devices

ACS Publicación: Proteins as Solid-State Electronic Conductors

Physicial Chemistry Letters: Chiral-Induced Spin Selectivity Effect

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