Cientistas identificaram processos na fotossíntese que são verdadeiros fenômenos de mecânica quântica.

Quando se trata de vida verde, ninguém faz isso melhor do que as plantas. Quando as plantas convertem luz em combustível através da fotossíntese, nem uma única partícula de luz é desperdiçada. Se pudéssemos desvendar os segredos das plantas, poderíamos aperfeiçoar o projeto de coleta de luz em células solares.

Gregory Scholes, professor de química na Universidade de Princeton, suspeita que a chave para a eficiência das plantas decorre de sua capacidade de aproveitar a física quântica, os comportamentos não intuitivos de partículas muito pequenas. Em 2010, ele liderou uma equipe que demonstrou efeitos quânticos em algas marinhas.

Mas a descoberta não foi sem controvérsia. Comportamentos quânticos geralmente se revelam em temperaturas extremamente baixas isoladas de distúrbios do mundo real, levantando questões sobre se esses estados quânticos podem sobreviver às condições quentes e úmidas da vida.

Então Scholes e sua equipe decidiram investigar o comportamento quântico em uma das reações químicas mais simples conhecidas, a transferência de um átomo de hidrogênio de uma parte de uma molécula para outra. Se seus experimentos derem certo, os pesquisadores poderão reescrever nossa compreensão de como ocorrem as reações químicas.

No coração da teoria quântica está a ideia de que a matéria pode se comportar tanto como partículas quanto como ondas. Se dispararmos partículas em uma barreira contendo duas fendas, a física clássica prevê que as partículas cairão em duas pilhas, uma atrás de cada fenda. Em contraste, a mecânica quântica prevê que cada partícula agirá como ondas espalhadas e passará por ambas as fendas, onde a intensidade em qualquer ponto pode se somar ou se cancelar.

Essa natureza quântica da matéria, conhecida como superposição, foi prevista e observada desde a década de 1920 e nos ajudou a compreender o mundo microscópico. No entanto, essas ideias quânticas ainda não moldaram a compreensão das reações químicas.

"Essa é a grande questão que estamos tentando responder", disse Scholes. "Podemos aproveitar a mecânica quântica para trabalhar para nós na química?"

Os pesquisadores abordaram a questão estudando o que acontece quando a luz atinge uma molécula que pode sofrer duas reações separadas de transferência de hidrogênio, uma à esquerda e outra à direita da molécula. Se as regras clássicas prevalecerem, cada reação prosseguirá um passo de cada vez. Se as regras quânticas estiverem envolvidas, tanto a reação da esquerda quanto a da direita ocorrerão em uma superposição quântica.

"Sobreposição quântica é um princípio fundamental da mecânica quântica que afirma que um sistema físico existe parcialmente em todos os estados teoricamente possíveis simultaneamente antes de ser medido. Porém quando medido ou observado, o sistema se mostra em um único estado. "

Para descobrir se isso está acontecendo, a equipe de Scholes montou um experimento para tirar fotos das moléculas durante a reação. Com financiamento do W.M. Keck Foundation, os pesquisadores bombardeiam as moléculas com pulsos de luz laser, que colocam as moléculas normalmente caóticas no mesmo ritmo quântico. "Usamos a luz para sincronizar as moléculas para que todas dancem no mesmo ritmo", disse o estudante de pós-graduação Ben Xinzi Zhang.

Em seguida, para verificar se as moléculas estão de fato em superposição, os pesquisadores usam um segundo pulso de laser. Ele monitora o estado da molécula usando rajadas rápidas que iluminam as posições dos átomos como uma luz estroboscópica iluminando um dançarino.

Os pesquisadores então procuram padrões de vias de reação que adicionam e cancelam, assim como no experimento da dupla fenda. "As assinaturas nos dirão como esses dois lados estão interagindo", disse Kyra Schwarz, pesquisadora de pós-doutorado associada da equipe.

"O experimento da dupla fenda é um dos mais conhecidos na área da Física. Nele, partículas são emitidas na direção de uma anteparo (barreira), onde foi feito uma dupla fenda (fendas vizinhas e verticais), atrás deste anteparo há um detector captando a chegada de cada partícula que passa pelas fendas."

Os resultados do experimento ainda não estão disponíveis, mas se a superposição quântica desempenha um papel em uma reação tão onipresente quanto a transferência de hidrogênio, ela pode estar subjacente a muitos processos na natureza. O resultado também pode reformular como as reações químicas são conceituadas e compreendidas em todas as disciplinas, possibilitando alavancar propriedades quânticas para controlar e criar novas reações.