La física cuántica y la biología de las plantas parecían ser como dos ramas de la ciencia totalmente diferentes, pero, sorprendentemente ahora se ha descubierto que están íntimamente ligadas.

Investigadores del Departamento de Energía (DOE) del Laboratorio Nacional de Argonne y del Laboratorio de Radiación de la Universidad de Notre Dame, utilizaron una espectroscopía ultrarrápida para ver lo que sucede a nivel subatómico durante la primera etapa de la fotosíntesis.

Mientras que diferentes especies de plantas, algas y bacterias han desarrollado una variedad de distintos mecanismos para recoger energía de la luz, todos ellos comparten una característica conocida como centro de reacción fotosintética. Donde pigmentos y proteínas que se encuentran en los organismos se encargan de realizar la etapa inicial de conversión de energía.

Estas moléculas de pigmento, o cromóforos, son responsables de la absorción de la energía transportada por la luz entrante. Después de que un fotón llega a la célula, excita uno de los electrones en el interior del cromóforo. A medida que se observa el paso inicial del proceso, los científicos de Argonne vieron algo que nadie había observado antes: un solo fotón parecía excitar cromóforos diferentes al mismo tiempo.

El comportamiento que fueron capaces de ver a estas escalas de tiempo muy rápidas implica una mezcla mucho más sofisticada de los estados electrónicos. Los efectos cuánticos observados parecen ser más eficiente de lo que se indica en la biofísica clásica, esto nos deja preguntándonos: ¿cómo la madre naturaleza crea esta solución increíblemente elegante?.

El resultado del estudio podría influir significativamente en los esfuerzos de los químicos y los nanocientíficos para crear materiales artificiales y dispositivos que pueden imitar a los sistemas fotosintéticos naturales. Aunque los investigadores aún tienen un largo camino por recorrer antes de ser capaces de crear dispositivos con la eficiencia de cosecha energética de una planta.

Una razón para esta deficiencia, es que los experimentos artificiales de fotosíntesis no han sido capaces de replicar la matriz molecular que contiene los cromóforos.

Debido a que el momento en que el efecto cuántico se produce es de muy corta duración, menos de una billonésima de segundo, los científicos tienen dificultades para determinar fundamentos biológicos y físicos de su existencia en el primer lugar.

“Nos hace preguntarnos si están realmente allí por accidente, o si nos están diciendo algo sutil y único acerca de estos materiales. En cualquier caso, estamos llegando a los fundamentos de la primera etapa de conversión de energía en la fotosíntesis.”

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Los diodos emisores de luz orgánicos (OLED) son energéticamente eficientes, pero los altos costos de fabricación los han mantenido lejos del mercado de otras tecnologías para fabricación de pantallas, como por ejemplo el cristal líquido (LCDs), especialmente en grandes dispositivos tales como televisores. Un nuevo tipo de electrónica utilizada en la fabricación de dispositivos OLED podría ayudar a reducir los costes de manufactura y hacer de la tecnología algo mucho más accesible.

Los píxeles en las pantallas OLED usan transistores para estimular las moléculas orgánicas, que emiten diferentes colores de luz, así es como las pantallas OLED no necesitan de los filtros de luz que hacen que los LCD gasten mucha energía. Pero aún así los LCD dominan el mercado en gran parte porque el transistor de silicio amorfo, utilizado para los LCDs se pueden hacer por zonas tan grandes como una puerta de garaje, y luego cortado en pedazos más pequeños para hacer pantallas para televisores y otros dispositivos. Este tipo de fabricación a escala ayuda a mantener los costos bajos.

Pero hasta el momento no se puede utilizar la misma electrónica en las pantallas OLED, las cuales hoy se construyen con de transistores más caros, siendo estos de silicio policristalino. La pantalla OLED más grande en el mercado (en Europa, pero aún no está disponible en los EE.UU.) es un modelo de 15 pulgadas fabricado por LG. Su precio es de poco más de 2.300 dólares, una fortuna contra los 200 dólares que cuesta un LCD del mismo tamaño.

Un nuevo diseño electrónico para la fabricación de OLED menos costosa podría, en teoría, hacerse mediante el uso de materiales orgánicos. Ya que los transistores realizados con semiconductores orgánicos ofrecen altas corrientes, necesarias para manejar los píxeles OLED. Pero el flujo de electrones a través de transistores orgánicos convencionales es lento, lo cual resulta en una pantalla que no actualiza la imagen lo suficientemente rápido. Para acelerar estos transistores, los ingenieros han modificado el diseño, logrando la reducción de los componentes para que un conjunto de electrodos más juntos, hacen que el canal sea más pequeño. Logrando así que el dispositivo sea más rápido, debido a que los electrones no tengan que viajar tan lejos a través de la materia orgánica que conforma el canal, que no puede conducir los electrones muy rápidamente, pero obviamente este proceso también es muy caro.

Un método menos costoso, desarrollado por Rinzler y sus colegas, es colocar la fuente y los en una estructura electrónica vertical, y no uno al lado del otro. Este método fue propuesto por primera vez en 1994 por Yang Yang, profesor de ciencia de los materiales e ingeniería en la Universidad de California en Los Ángeles, y Alan Heeger, profesor de ciencia de los materiales e ingeniería en la Universidad de California en Santa Bárbara. Heeger compartió el Premio Nobel 2000 de Química por el descubrimiento y desarrollo de polímeros conductores como los utilizados en este nuevo dispositivo. A mediados de la década de 1990, Yang y Heeger comenzaron a desarrollar estos dispositivos a través de una empresa llamada UNIAX que fue posteriormente adquirida por DuPont.

El problema era que cuando los dos hicieron su trabajo original, el rendimiento de los materiales disponibles no era tan bueno como lo es hoy. “Los nanotubos de carbono no estaban disponibles en 1994″, dice Yang. Por ejemplo, en el dispositivo Rinzler, la capa delgada de nanotubos permite que la perdida de corriente sea menor.

Rinzler ahora está trabajando para simplificar la arquitectura de las pantallas OLED con la esperanza de reducir aún más los costos de fabricación y la complejidad de la misma. En lugar de construir un píxel de emisión de luz en la parte superior de los transistores, Rinzler quiere construir transistores orgánicos de bajo consumo que emiten luz por sí mismos.

El y sus colegas han demostrado que es posible hacer transistores orgánicos emisores de luz si los materiales activos son electroluminiscentes, pero estos transistores solo funcionan con tensiones altas, haciéndolos poco práctico. Pero Rinzler cree que la arquitectura vertical, basada en nanotubos de electrodos podría mejorar la eficiencia de estos dispositivos.

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Un nuevo producto químico utilizado para la fabricación de materiales nanoestructurados podría ayudar a aumentar la autonomía y la fiabilidad de los coches eléctricos, gracias a la posibilidad de construir mejores baterías que podrían ayudar a estabilizar la red eléctrica.

Los investigadores del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) en Richland, WA, han desarrollado la técnica, que pueden convertir un material que normalmente no puede almacenar electricidad en uno que almacena más energía de la batería que los materiales similares que ya se encuentran en el mercado.

En el trabajo publicado en la revista Nano Letters, los investigadores muestran que la cera de parafina y el ácido oleico estimula el crecimiento de nanoestructuras de fosfato de litio-manganeso con forma de plato. Estos “nanoplatos” son pequeños y delgados, permitiendo que los electrones y los iones (átomos o moléculas con carga positiva o negativa) entren y salgan de ellos con facilidad. Esto convierte a dicho material, el cual normalmente no funciona como un material para una batería, debido a su pobre conductividad, en uno que almacena grandes cantidades de electricidad.

Cuando los investigadores midieron el rendimiento de este material, descubrieron que se podía almacenar un 10 por ciento más energía que la capacidad máxima teórica de un material de electrodo comercial comparable, por ejemplo, fosfato de hierro litio, que se utiliza en algunos híbridos y vehículos eléctricos.

El enfoque podría abrir la puerta al uso de una amplia gama de materiales para baterías, candidatos que están ahora limitados por su poca capacidad para conducir la electricidad. La investigación en el área ha alcanzado el punto en que la mayoría de los materiales para las baterías estudiados tienen una conductividad mala, dice Daiwon Choi, investigador de la energía material en PNNL. El nuevo método ofrece una manera sencilla de aumentar su conductividad, además el nuevo método podría también ser compatible con las técnicas convencionales para la fabricación de baterías.

Tanto el fosfato de litio-hierro y fosfato de litio-manganeso son atractivos para usar en los electrodos de una batería porque tienen una estructura atómica estable. Esta estructura cristalina, es mucho más estable que la estructura cristalina de materiales de electrodos utilizado en portátiles y baterías de teléfonos móviles. Como resultado, estos materiales, llamados olivinos, pueden durar mucho más tiempo que los tres años que duran los materiales de las baterías de teléfonos celulares. Algunos fabricantes afirman que las baterías de fosfato de hierro litio podrían durar más de 30.000 ciclos de carga y descarga sin perder mucho su capacidad para almacenar energía, suficiente para que las baterías duren 50 años.

En teoría, el fosfato de litio-manganeso podría durar un número similar de ciclos, porque tiene una estructura cristalina similar. Pero tiene la ventaja añadida de ser potencialmente ser capaz de almacenar 20 por ciento más energía que el fosfato de litio-hierro, ya que funciona a un voltaje más alto. Sin embargo, ha sido particularmente difícil de modificar el fosfato de litio-manganeso para superar el hecho de que es un aislante eléctrico.

Los intentos anteriores han exigido el procesamiento de materiales precursores en una solución líquida antes de crear los materiales sólidos de la batería, un proceso que es demasiado caro para la producción comercial. El nuevo método desarrollado en PNNL elimina este paso, lo que simplifica el proceso y lo hace compatible con las técnicas de fabricación existentes.

Para preparar el material, los precursores químicos, con mezcla de investigadores cera de parafina y el ácido oleico. La cera y el ácido juntos para hacer que el material precursor para formar cristales de un tamaño bien controlada y forma sin agrupar para arriba. La cera se licúa a las altas temperaturas utilizadas para procesar el material y actúa como un disolvente, que sustituye a la etapa distinta de procesamiento de líquidos utilizados en la investigación anterior.

Aunque el fosfato de litio-manganeso es atractivo ya que almacena más energía que el fosfato de litio-hierro, ambos toman una cantidad relativamente grande de energía en comparación con otros tipos de electrodos para baterías de iones de litio. Será cuestión de esperar a ver que tan rápido las automotrices centran su interés en este nuevo tipo de materiales para las baterías de sus vehículos eléctricos.

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Los servicios web de Google pueden ser considerada de vanguardia, pero se ejecutan en servidores convencionales. Ahora, el gigante de las búsquedas ha revelado que está investigando el uso de los ordenadores cuánticos para ejecutar su próxima generación de aplicaciones.

En el blog de investigación de Google, Hartmut Neven, jefe de su equipo de reconocimiento de imágenes, revela que la empresa californiana ha estado trabajando durante tres años en silencio en el desarrollo de un ordenador cuántico que puede identificar los objetos en una base de datos de imágenes fijas o vídeo.

Google ha estado trabajando en colaboración con D-Wave, una empresa canadiense que ha desarrollado una matriz de chips de bits cuánticos, llamados qubits. Juntos desarrollaron un algoritmo para el chip que podría aprender a reconocer los coches en las fotos, según informaron en la conferencia Neural Information Processing Systems que se ha desarrollado esta semana en Canadá.

Usando 20.000 fotografías tomadas en las calles, en la mitad de las cuales figuran automóviles, el algoritmo ordena las imágenes según tengan coches o no más rápido de lo que que un algoritmo de un ordenador convencional podría hacerlo.

Los equipos clásicos utilizan lo que se conoce como arquitectura de Von Neumann, en la que los datos se obtiene de la memoria y tratadas conforme a las normas definidas en un programa para generar los resultados que se almacenan. Es más bien un proceso secuencial, a pesar de que puedas correr en paralelo para acelerar las cosas un poco.

Las computadoras cuánticas, sin embargo, prometen un procesamiento mucho más rápido, aprovechando el principio de superposición cuántica: que una partícula como los iones, electrones o fotones pueden estar en dos estados diferentes al mismo tiempo. Si bien cada bit de datos en un ordenador convencional puede ser un 1 o un 0 en cualquier momento, un qubit puede ser ambas cosas a la vez.

El chip Chimera de D-Wave puso en marcha un gran interés de los medios de comunicación en la computación cuántica, por lo que Google muestre interés en esta tecnología es algo esperado. Ya que la computación cuántica tiene el potencial de resolver los problemas de búsqueda más fácilmente.