Pesquisadores da Rice College fizeram um avanço significativo na simulação da transferência molecular de elétrons – um processo basic que sustenta inúmeros processos físicos, químicos e biológicos. O estudo, publicado em Avanços da Ciênciadetalha o uso de um simulador quântico de íons aprisionados para modelar a dinâmica de transferência de elétrons com ajuste sem precedentes, abrindo novas oportunidades para exploração científica em campos que vão da eletrônica molecular à fotossíntese.
A transferência de elétrons, crítica para processos como a respiração celular e a captação de energia nas plantas, há muito tempo representa desafios aos cientistas devido às complexas interações quânticas envolvidas. As técnicas computacionais atuais muitas vezes não conseguem capturar todo o escopo desses processos. A equipe multidisciplinar da Rice, incluindo físicos, químicos e biólogos, enfrentou esses desafios criando um sistema quântico programável capaz de controlar de forma independente os principais fatores na transferência de elétrons: lacunas de energia doador-aceitador, acoplamentos eletrônicos e vibrônicos e dissipação ambiental.
Usando um cristal iônico preso em um sistema de vácuo e manipulado por luz laser, os pesquisadores demonstraram a capacidade de simular a dinâmica de rotação em tempo actual e medir as taxas de transferência em uma variedade de condições. As descobertas não apenas validam as principais teorias da mecânica quântica, mas também abrem caminho para novos insights sobre sistemas de coleta de luz e dispositivos moleculares.
“Esta é a primeira vez que este tipo de modelo foi simulado num dispositivo físico, incluindo o papel do ambiente e até mesmo adaptando-o de forma controlada”, disse o investigador principal Guido Pagano, professor assistente de física e astronomia. “Isso representa um salto significativo em nossa capacidade de usar simuladores quânticos para investigar modelos e regimes que são relevantes para a química e a biologia. A esperança é que, aproveitando o poder da simulação quântica, possamos eventualmente explorar cenários que estão atualmente inacessível aos métodos computacionais clássicos.”
A equipe alcançou um marco significativo ao replicar com sucesso um modelo padrão de transferência molecular de elétrons usando uma plataforma quântica programável. Através da engenharia precisa de dissipação ajustável, os pesquisadores exploraram regimes adiabáticos e não adiabáticos de transferência de elétrons, demonstrando como esses efeitos quânticos operam sob condições variadas. Além disso, suas simulações identificaram condições ótimas para a transferência de elétrons, paralelas aos mecanismos de transporte de energia observados em sistemas fotossintéticos naturais.
“Nosso trabalho é motivado pela questão: o {hardware} quântico pode ser usado para simular diretamente a dinâmica química?” Pagano disse. “Especificamente, podemos incorporar efeitos ambientais nessas simulações, pois elas desempenham um papel essential em processos essenciais à vida, como a fotossíntese e a transferência de elétrons em biomoléculas? Abordar esta questão é significativo, pois a capacidade de simular diretamente a transferência de elétrons em biomoléculas poderia fornecer informações valiosas para projetar novos materiais de coleta de luz.”
As implicações para aplicações práticas são de longo alcance. A compreensão dos processos de transferência de elétrons neste nível poderia levar a avanços em tecnologias de energia renovável, eletrônica molecular e até mesmo ao desenvolvimento de novos materiais para computação quântica.
“Este experimento é um primeiro passo promissor para obter uma compreensão mais profunda de como os efeitos quânticos influenciam o transporte de energia, particularmente em sistemas biológicos como complexos fotossintéticos”, disse Jose N. Onuchic, co-autor do estudo, Harry C. e Olga Ok. Wiess. Catedrático de Física e professor de física e astronomia, química e biociências. “Os insights que obtemos neste tipo de experimento podem inspirar o projeto de materiais de coleta de luz mais eficientes.”
Peter G. Wolynes, coautor do estudo, professor de ciências da Fundação DR Bullard-Welch e professor de química, biociências, física e astronomia, enfatizou o significado mais amplo das descobertas: “Esta pesquisa preenche a lacuna entre as previsões teóricas e a verificação experimental , oferecendo uma estrutura perfeitamente ajustável para explorar processos quânticos em sistemas complexos.”
A equipe planeja estender suas simulações para incluir sistemas moleculares mais complexos, como aqueles envolvidos na fotossíntese e no transporte de carga de DNA. Os pesquisadores também esperam investigar o papel da coerência quântica e da deslocalização na transferência de energia, aproveitando as capacidades únicas de sua plataforma quântica.
“Este é apenas o começo”, disse Han Pu, co-autor principal do estudo e professor de física e astronomia. “Estamos entusiasmados em explorar como esta tecnologia pode ajudar a desvendar os mistérios quânticos da vida e muito mais.”
Os outros coautores do estudo incluem os estudantes de pós-graduação Visal So, Midhuna Duraisamy Suganthi, Abhishek Menon, Mingjian Zhu e o cientista pesquisador Roman Zhuravel.
Esta pesquisa foi possível graças ao Welch Basis Award C-2154, ao Workplace of Naval Analysis Younger Investigator Program (nº N00014-22-1-2282), ao Nationwide Science Basis CAREER Award (nº PHY-2144910), ao Escritório de Pesquisa do Exército (W911NF22C0012), o Escritório de Pesquisa Naval (Nº N00014-23-1-2665), o NSF (PHY-2207283, PHY-2019745 e PHY-2210291) e a cadeira DR Bullard-Welch em Rice (nº C0016). Os autores reconhecem que este materials é baseado em trabalho apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência, Escritório de Física Nuclear sob o Prêmio de Início de Carreira nº DE-SC0023806. Os isótopos utilizados nesta pesquisa foram fornecidos pelo Programa de Isótopos do Departamento de Energia dos EUA, gerenciado pelo Escritório de P&D e Produção de Isótopos.
