fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

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Prof. Marco Sacilotti - Univ. de Bourgogne - France & Depto Fisica -UFPE Recife- PE - Brasil Fotossíntese, re-visitando a enigmática questão : porque as plantas são verdes? Universidade Federal da Integração Latino-Americana Foz Iguaçu PR 09/12/10, 14h45min Collaboradores: Marco Sacilotti a,c , Euclides Almeida a , Claudia Brainer Mota a , Thiago Vasconcelos b , Frederico Dias Nunes b , Marcelo Pompelli d , Anderson S. L. Gomes a a Departamento de Física, Universidade Federal de Pernambuco, Recife, Brasil. b Departamento de Eletrônica e Sistemas, Universidade Federal de Pernambuco, Recife, Brasil. c CMN Groupe UFR Sc. Techn. FR 2604 – Université de Bourgogne, Dijon, France. Prof. Anderson S.L. Gomes - coordinator QuickTime™ et un décompresseur sont requis pour visionner cette image. QuickTime™ et un décompresseur sont requis pour visionner cette image.

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Prof. Marco Sacilotti - Univ. de Bourgogne - France & Depto Fisica -UFPE Recife- PE - Brasil

Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão : porque as plantas são verdes?

Universidade Federal da Integração Latino-Americana Foz Iguaçu PR 09/12/10, 14h45min

Collaboradores:

Marco Sacilottia,c, Euclides Almeidaa, Claudia Brainer Motaa, Thiago Vasconcelosb,

Frederico Dias Nunesb, Marcelo Pompellid, Anderson S. L. Gomesa

aDepartamento de Física, Universidade Federal de Pernambuco, Recife, Brasil. bDepartamento de Eletrônica e Sistemas, Universidade Federal de Pernambuco, Recife, Brasil.cCMN Groupe UFR Sc. Techn. FR 2604 – Université de Bourgogne, Dijon, France.dLaboratório de Ecofisiologia Vegetal Centro de Ciências Biológicas - Depto. Botânica. UFPE Recife, Br

Correspondência: M. Sacilotti e-mail: [email protected]

Prof. Anderson S.L. Gomes - coordinator

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Page 2: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

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Vem do ar

H2O Elementosquimicos

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Jan Baptist van Helmont (1577-1644) 350 anos atras …

Vem do ar

H2O

Elementos quimicos

elementos quimicos = 57 g << 1% vem do ar 74.000 g

5 anos depois …

Salix albaSalgueiro brancohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Salgueiro

Semente

Page 4: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

Qual é o mecanismo fisico existente no processo da fotosintese ?

Absorçao da luz do sol pelas folhas das plantas e a separaçao de cargas elétricas que se atraem (e-, h+) :

e- : interage com o CO2 --> Biomassa

h+ : interage com a H2O --> Oxigenio

Page 5: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

Questao importante:

Qual é o mecanismo optico mais importante sobre nossa terra ?

Fotosintese !!!*

Pois ela … * esta ligada à origem da vida sobre a terra…

* nos da a comida para vivermos (biomassa)…

* nos da oxigenio para respirar …

* nos da energia (petroleo) para trabalhar…&

* nos da a beleza das nossas florestas e flores …

* Absorçao da luz & separaçao de cargas elétricas.

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O que vamos falar nesta apresentaçao interdisciplinar:

• Uma maneira diferente de ver a fotosintese …

• Bandas de energia por onde trafegam cargas elétricas …

• Propor um mecansimo para separar cargas (e-, h+) …

• (e- & h+ ) separaçao/recombinaçao/emissao …

• Tentar responder porque as folhas sao verdes (hoje!)…

• Aplicaçoes: aumento da biomassa, aumento na produçao de etanol, energia fotovoltaica, doenças de pele, etc.

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109 anos atras … Calc

ula

tions

for

the a

tmosp

here

com

posi

tion

≈ 10% CO2

concentraçao hoje:N2 ≈ 79%O2 ≈ 21%CO2 ≈ 365 ppm

Arxiv: [email protected] & J. Kasting Scientific American Magazine 80, 2004

A vida começou aqui

Pode a desertificaçao sobre a terra ser consequencia da diminuiçao do CO2

na atmosfera?

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… evoluçao da Natureza ha 2-4 bilhions de anos, … é baseada no mecanismo de separaçao de cargas elétricas…

Numa pocinha d’agua, contendo: elementos quimicos & em atmosfera de CH4, CO2 N2 …, sem O2.

Iluminado pelo sol e/ou …:

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≈2 bilhoes de anos atras…

Poça de agua

A B- +

Notar que, na sua evolução, a NATUREZA inventou somente um mecanismo de separaçao do oxigenio da agua…

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Entao, a vida começou …

musgo

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…e a vida evoluiu …

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20 milhoes de anos

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http://en.wikipedia.org/wiki/Homo_(genus)#See_also

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Como separar cargas elétricas na natureza ? Como aumentar a eficiencia das células solares ? Sera que podemos copiar a fotosintese natural ?

Porque as folhas sao verdes (hoje) ?Porque as folhas amarelecem quando vao morrer ?

A B- +

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age.

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Nancy Kiang April 2008 SCIENTIFIC AMERICAN, INC.pages 48-55 http://pubs.giss.nasa.gov/docs/2008/2008_Kiang.pdf, [email protected]@nature.berkeley.edu,

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Luz refletida

Luz do sol

Reaction center2xChl-a ???!!!

Luz = fotons

Eletrons ‘soltos’(leva a outras reaçoes)

e-

Pigment molecules

F = e- E_

F = e+ E+

… and that electrons move spontaneously in direction of higher (toward positive) potentials …

Nancy Kiang Astrobiology 7, 222-252 (2007).

Page 13: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

… e que eletrons se movem espontaneamente para mais altos potenciais …Nancy Kiang Astrobiology 7, 222-252 (2007).

Uma expresao muito estranha para um cientista …!!! … espontaneamente !?! , para cargas?

6CO2 +12H20 + h --> 6C02 + 24H* + 602

+ 24e- --> (C6H1206) + 6 H2O + 602

glucose

Conclusao:

com 24 fotons (or 24 e-) nos fabricamos uma sucrose e seis oxigenios

De onde voces vem, quem manda voces ‘pra la’?

Alguma açao do espirito santo?

Page 14: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

Outro exemplo: ciclo de Calvin: cargas elétricas se deslocam para onde o inventor quer, sem se preocupar com a fisica do deslocamento destas cargas …

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http://en.wikipedia.org/wiki/Light-dependent_reactions

onde esta a força elétrica que manda cargas elétrica pra algum lugar ???

Page 16: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

Qual é a nossa chance de explicar o mecanismo da fotosintese Qual é a nossa chance de explicar o mecanismo da fotosintese com as ferramentas da década de 1940 ?com as ferramentas da década de 1940 ?

Ou… cargas se movem porque

é baseado em fisica ???

Conceitos antigos: cargas se movem porque é uma ordem ???

Cargas negativas p/ a direitaCargas positivas p/ a esquerda!

++++++++++

______________

Page 17: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

Figure 3 An artist's illustration of what plants might look like on different planets. http://www.giss.nasa.gov/research/briefs/kiang_01/ Planets around F stars, which are hotter than our G-class Sun, have peak PFD in the blue. K-star planets peak in the red-orange. Because of their abundance visible radiation, F- and K-star planets are likely to have very similar photosynthesis to that on Earth, with slight variation in the dominant visible color.

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NASA Prediz: Plantas nao verdes em outros planetas..

Calculos baseados no fato em que a cor é uma

reflexao!

mas …

tem

os gra

ndes

proble

mas n

ao reso

lvidos …

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E. Chappelle et al (NASA), Applied Optics vol. 24, n° 1, p. 74 1985 337 nm excitaçao

Fluorescencia de folhas excitadas com luz laser: emissao no azul, verde & vermelho em folhas de carvalho

Notar: intensidade do verde é tao alta quanto do azul e do vermelho…

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E. Chappelle et al (NASA), Applied Optics vol. 24, n° 1, p. 74 1985 337 nm excitaçao

azul, verde & vermelho (emissao em plantas)s

Notar: intensidade de emissao do verde é tao alta quanto a do azul e quanto a do vermelho…

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imag

e.

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Eficiencia da cor absorvida para o processo da fotosintese:

vermelho verde > azul

Page 21: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

Se a intensidade de emissao no: vermelho, verde e azul sao comparaveis,

Porque a cor verde das plantas seria uma reflexao?

Page 22: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

Parte amarela da folhaParte verde da folha

Excitaçao 532 nm

no verde

filter

T = 300K

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Erythrina Indica Picta

Conclusao: a folha absorve no verde e emite em cores menos energéticas…

vermelho

amarelo

Page 23: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

excitaçao 386 nm

Parte amarela da folha Parte verde da folha T = 300K

Filter

Conclusoes: A emissao da folha depende da energia de excitaçao.A folha absorve em cores mais energéticas e emite tb no verde.

emissao no verde !!

vermelho

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Erythrina Indica Picta

Page 24: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

Nos temos entao muitos problemas pra resolver em fisica:

1- nao ha provas diretas que o verde das plantas seja uma reflexao…

2- nao aparece o campo elétrico necessario para separar cargas elétricas que se atraem…

3- em fisica se gasta energia para separar cargas elétricas…

Estamos vilolando leis da fisica com as atuais idéias e modelos existentes, para explicar a fotosintese.

Page 25: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

Nao obstante estas observaçoes de equivocos, temos que reconhecer os grandes avanços feitos nas

ciencias biologicas, agronomia, … bio-todas as interdisciplinas…

SEM SABER O CAMINHO INTERMEDIARIO.

Page 26: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

Tentativa de explicar o mecanismo de separaçao de cargasno processo da fotosintese, baseado nos trabalhos de dois premios Nobel de fisica …

Herbert Kroemer, Nobel lecture: quasielectric fields and band offsets. Reviews of Modern Physics 2001, 73, 783-793(recent Nobel Prize on Physics.2000).

Leo Esaki Journal de Phys. (France) C5-1, 48, 1987. (Nobel Prize on Physics.1973).

Page 27: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

H. Kroemer, Rev. Mod. Phys., Vol. 73, No. 3, July 2001, 783-793

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Banda de conduçao (LUMO) -->

Banda de valencia (HOMO) -->

Alinhamento de bandas de energia em materiais: ha somente 3 tipos.

A B

A

B

MateriaisA B

? Ground state energy ???

Esta configuraçao enegética nao existe em fisica !!!

Page 28: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

Semicondutores: alinhamento das bandas de energia (ou engenharia de band-gap )

Tipo I Tipo II

A / B

Ex: InP / AlInAsInP / GaAs

GaSb / InP GaP / GaInP

Ex: GaAs / AlGaAs GaInAs / InP GaInAs / GaAs

CB

VB

Interface entre A & B

Page 29: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

-

h

+

-

h

BC

BV

Excitaçao de cargas elétricas entre a banda de valencia e a banda de conduçao.

Excitons: energia de atraçao entre cargas negativas (BC) e positivas (BV): (e-, h+).

Excitons em materiais inorganicos : poucos meV a poucas dezenas de meV.

Excitons em materiais organicos : algumas centenas de meV.

Conclusao: é mais dificil separar cargas em organicos!

Interaçao excitonica

Pico que da a cor do material ou da folha

Page 30: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

Cargas podem fluir de um material para outro ao lado : … mas ha sempre degraus energéticos (para baixo ou para cima).

_

+

_

+

Materiais --> A B C

Page 31: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

_+

Vamos dar uma transadinha sem mais consequencias ?

Nao vai ter galho nenhum ?

interface entre 2 materiais

molecula

A

Bmolecula

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H. Kroemer, Rev. Mod. Phys., Vol. 73, No. 3, July 2001, 783-793

F- = e- E_

F+ = e+ E+

E = - grad V

Energy = Voltsxcharge

•Que significa entortamento de bandas de energia ??

Electric fiel for e-

Electric fiel for e-

Material A

Material B

… e mais: existe entortamento de bandas em organicos:- Hisao Ishii et al Advanced Materials 1999, 11, p. 605 - Tzu-Chum Tseng et al. Nature Chemistry. Published online: 28 March 2010, DOI: 10.1038/NCUEM.591, page 374 - C. Santato and F. Rosei. Nature Chemistry, vol 2, May 2010, page 344

Page 33: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/11/Chloroplast-new.jpg

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Cloroplasto: a natureza cresce nanoestruturas numa folha.

Vamos fazer um paralelo entre o que faz a natureza e materiais artificiiais

≈ 1 nm

(001) InP substrato

InP

AlInAsInP

Estrutura artifical

Crescimento MOCVD

≈ 10 nm

1.35 eV

1.46 eV

Page 34: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

emissao de interface: 1.2 eV bandas de energia

Nanotechologia em laboratorio…

1.35 eV

1.46 eV

(001) InP substrato

InP

AlInAsInP 1.35 eV

1.46 eV

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Nota quase nada de emissao do InP e AlInAs

Emissao de interface

Thickness is below mean free path carriers

P. Abraham et al. Applied Surface Science. 65/66 777-782, (1993)

77K

Excitaçao comlaser de argonio

Emissao de luz da estrutura AlInAs/InP

h

Pico muito largo

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R. Sakamoto et al Semicond. Sci. Technol. Vol. 7 , p. B271 (1992).

h

h Eex

Ein

Ein

O Encurvamento das bandas proporciona o aparecimento do campo elétrico:

AlInAs: 50 nm

Electrical contact

InP >> 1 µm Electrical contact

_

+

Page 37: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

6

12

18

B

R. Sakamoto et al Semicond. Sci. Technol. 7 B271-73 (1992)

T = 12 KCampo elétrico externo (Eex ) aplicado, para cancelar o pico de emissao de interface AlInAs/InP

Eex = 0 V/cm

0.29 x 105 V/cm

0.41 x 105 V/cm

0.54 x 105 V/cm

PL

inte

nsi

dade (

u.a

.)

0 energia do foton (eV) 1.2 eV

Page 38: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

Campo elétrico externo para se ter intensidade = zero: 0.55 x 105 V/cm (AlInAs/InP Sakamoto) Calculos teoricos : Eint = 0.4 to 1.25 x 105 V/cm (AlInAs/InP marco scilotti et al)

0 .2 .4 .60

10

20

30

40

Eext (x105 V/cm)

PL

inte

nsi

dade (

u.a

.)

É este campo elétrico que vai me separar cargas

elétricas que se atraem.

Page 39: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

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Small 2007, 3, 1633-1639, Microchim Acta 2008, 160, 315, Advanced Functional Materials 2008, 18, 1157.

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sont requis pour visionner cette image.Pico de PL largo

Page 40: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

Porque estas emissoes de interface sao tao largas ?

Page 41: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

Eles sao largos pois as cargas podem se recombinar com varios niveis de um lado e de outro da interface?

interface

hv

<-- elétro

ns

lacu

nas -->

h = S + Qe + Qh - Ex

Qe

Qh

S

_ + Ex

-interaçao-

Nos vamos aplicar este modelo para a fotosintese.

Material AMaterial B

Page 42: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

Nos vamos relacionar este pico de emissao de interface ao verde das plantas.

Nos vamos relacionar esta emissao de interface à energia gasta para separar cargas elétricas.

Page 43: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

O que é que esta errado na literatura cientifica, com relaçao a fotovoltaicos?

Page 44: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

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Excitaçao de dois materiais em contato: cargas caem para niveis mais baixos mas eles nao consideram emissao de interface…e nem a necessidade de campo elétrico…

Wei Li et al J. Phys. Chem. 112, p. 2539-45, 2008

Isto esta errado!Recombinaçao de interface tem que ser levada em consideraçao.

Porque nao ha encurvamento das bandas?

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FIG. 1. a Proposed energy-level diagram of the RGB SOLED. Numbersindicate the highest occupied molecular orbital HOMO and lowest unoccupiedmolecular orbital LUMO energies relative to vacuum in eV. TheHOMO and LUMO energies of Fir6, Irppy3, and PQIr are 6.1 and 3.1eV, 5.1 and 2.6 eV and 5.0 and 2.7 eV, respectively. Arrows indicatecarrier injection from electrodes and the MoO3 charge-generation layer. bSpectrum of the optically optimized B-G-R with R adjacent to the ITOanode ordered device solid line and spectrum of the R-G-B ordered structurein a dashed line.

LED organico, emitindo ao mesmo tempo no vermelho ,

verde, azul; da LED branco

Xiangfei Qi et al

APPLIED PHYSICS LETTERS 93, 193306 2008

Estructure composta de 10 camadas contendo organicos

2

0 n

m

Current

Conclusao: ja existe o conhecimento de posiçao relativa de bandas de energia em organicos mas o pessoal da fotosintese ainda nao sabe…

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Experimento de excitaçao para qualquer tipo de folhas: reflexao e transmissao

h

h transmissao

h reflexao

Folhas novas: Porque eu

sou marrom?

Folhas adultas: Porque eu

sou verde ?

Absorçao

% Absorçao = 100% - (Reflexao + Transmissao)

Page 47: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

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Porque eu fico amarela ou vermelha ou marrom quando fico velha ???

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R

T

S.

Seager

15%

30%

Pico de energia no verdeT + R = 45%

55% absorçao

verde

Em média temos78% absorçao

Absorçao é muito alta no espectro visivel. As folhas precisam de um mecanismo eficiente para jogar energia fora !

UltraVioleta

InfraVermelho

Espectro Visível

Page 49: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

Quantum control of energy flow in light harvesting Jennifer L. Herek*  , We ndel Wohlle ben  à, Richard J. Cogdell¤, Dirk Zeidlerà & Marc us Motzkusà

NATURE |VOL 417 | 30 MAY 2002 533-535

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Modelo utilisado para explicar a fotosintese:A configuraçao energética nao existe em fisica.Esta configuraçao nao permite separar cargas elétricas.

Mas fotosintese é um processo de separaçao de cargas elétricas,

apos a absorçao da luz do sol.

Page 50: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

Qu

ickTime™

et un

décom

presseu

r son

t requ

is pou

r visionn

er cette imag

e.

Cl-a410440 nm

-Cr420450500 nm

Cl-a625675 nm

Page 51: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

Phycocyanin

4.42 eV

3.35 eV

2.0 eV

Cr Chl-bChl-a

Phycoerythrin

2.25 eV

2.95 eV

2.75 eV

2.48 eV

3.02 eV

2.81 eV

1.91 eV

1.83 eV

2.75 eV

2.58 eV

2.06 eV

1.92 eV

4.42 eV

3.81 eV

3.31 eV

532 nm = 2,33 eV

Quebra cabeça que criou a m

ae natureza: é im

possivel n

ao ter

varios t

ipos de posiç

oes relativ

as tipo II

entre as b

andas de energia.

Page 52: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

Nosso modelo para separar cargas eletricas contendo uma interface:

+

-

exciton

Material A Material B

Page 53: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

BC

BV

BV

BCMaterial A

Material B

interface

M. Sacilotti et al. Nasa-arXiv:1005.1337, http://arxiv.org/abs/1005.1337. Mai 11th 2010.

Interface tipo II.

-

+

Encurvamento da banda de energia.

Campo elétrico = - grad V

Força = E x carga

energia = V x carga

Page 54: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

BC

BV

BV

BC

Catodo

Material A A

nodo

Material

B

interface

M. Sacilotti et al. Nasa-arXiv:1005.1337, http://arxiv.org/abs/1005.1337. Mai 11th 2010.

Mecanismo de separaçao de cargas: excitaçao com 4 fotons.

+

-

2hv

2hv

-

+

+

-

+

- - - - -

++++

-

+

hvi

---

+++

-

++ + +

----

+

-+

hvi

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-hvi

Balanço energético: 4 hv fotons como excitaçao3 hvi fotons emitidos na interface1 (e-, h+) separado: 25% eficiencia (Fotosintese ≈ 5% eficiencia)

Page 55: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

BC

BV

BV

BC

Catodo

Material AOrganico A

nodo

Material B

Organico

interface

hvi

M. Sacilotti et al. Nasa-arXiv:1005.1337, http://arxiv.org/abs/1005.1337. Mai 11th 2010.

Utilisaçao do mecanismo na fotosintese natural.

-

+

-

+ +

+

-

-

Campo na interface

Eband-bending ≈105 V/cm O2

sucrose

water

CO2 + H20

Page 56: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

BC

BV

BV

BC

Catodo

Material AOrganico A

nodo

Material B

Organico

interface

hvi

M. Sacilotti et al. Nasa-arXiv:1005.1337, http://arxiv.org/abs/1005.1337. Mai 11th 2010.

Mecanismo aplicado no estrago em DNA.

-

+

-

+ +

+

-

-

ex: cancer de pele

DNA

Page 57: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

O Modelo atual que tenta explicar o mecanismo da fotosintese viola as leis da fisica.

a) A configuraçao energética utilisada nao existe em fisica.

b) O modelo utilizado nao apresenta o campo elétrico, necessario para separar cargas elétricas.

c) Para separar cargas elétricas é necessario gastar energia (nada é de graça neste mundo).

Questao:

Temos nos o

direito

de violar leis

fisicas p

ara

explicar p

roce

ssos b

iologicos?

Page 58: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

Publicaçoes recentes indicam que o mecanismo da fotosintese é quantico . Com isto a teoria (classica) de Forster nao tem vida longa…

* Nature, Science, PRL, …

Page 59: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

Recente papers sobre a fotosintese Quantum control of energy flow in light harvesting, J. Herek et al, Nature vol. 417, 30 may 2002

Quantum mechanics for plants, G. Fleming et al, Nature, vol. 431, 16 sept. 2004

Two-dimensinal Spectroscopy of electronic coupling in photosynthesis, T. Brixner et al, Nature, Vol. 434, 31 march 2005.

Quantum path to photosyntesis, R. Sension, Nature vol. 446, 12 april 2007.

Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems G. Engel et al Nature 446, 782-786 (12 April 2007)

Quantum secrets of photosynthesis revealedhttp://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/PBD-quantum-secrets.html

Coherence Dynamics in Photosynthesis: Protein Protection of Excitonic Coherence H. Lee et al Science 2007 vol 316, p. 1462.

The Quantum Dimension Of Photosynthesis 13 February 2009 Phys. Rev. Lett. 102, 057402

Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature. E. Collini et al Nature 463, 644-647 (4 February 2010).

Photosynthesis: Quantum design for a light trap. R. Grondelle et al Nature 463, 614-615 (4 February 2010).

Questao: - qual é o mecanismo quantico ?

… …

A teoria

de Fo

rster …

nao explic

a estes r

esulta

dos

Page 60: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

Poderiamos nos relacionarmos as cores das plantas ao mecanismo da fotosintese?

Page 61: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

QuickTime™ et undécompresseur

sont requis pour visionner cette image.

O que mais a ciencia poderia fazer?

Alface modificada genéticamente: verde para roxa.

Page 62: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

QuickTime™ et undécompresseur

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The plant on the left received no UV light; the middle plant received only UV-A light; and the plant on the right received

both UV-A and UV-B light, resulting in higher levels of phenolic antioxidants.Photo courtesy of Steve Britz, ARS

http://www.ars.usda.gov/is/np/Fnrb/fnrb0409.htm

http://www.ars.usda.gov/main/site_main.htm?modecode=12-35-20-00

No UV UV A UV A+B

Alto nivel de antioxidante fenolicos

ultraviolet-A+B radiations to red leaf lettuce increases the production of polyphenolic (2x more) compounds

http://www.opnmagazine-digital.com/opn/200909/?pg=9#pg9

Questoes

Sera que as cores das plantas poderiam estar relacionadas com:

- eficiencia do crescimento?- seu poder nutritivo?- com as propriedades fisicas para separar cargas?

Page 63: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

Efeitos do capim sorgo roxo na produçao de leite.

Experimento: 15 vacas entre 200 vacas

(19,1 – 17,3)/17,3 = 10,4% de aumento na produçao de leite, em 7 dias

Food: 10 kg (cane + napier grass + green sorghum ( replaced by sorgo roxo)) + 4 kg rationS. Penha de Andrade, Fazenda Conceição - Sao Pedro - São Paulo- Brazil 1973

Dias 1º 2º 3º 4º 5º 6º 7º

leite (kg)

17,3 17,3 17,5 17,8 18,2 18,5 19,1 QuickTime™ et undécompresseur

sont requis pour vis ionner cette image.QuickTime™ et undécompresseur

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QuickTime™ et undécompresseur

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sorgo forrageiro AG-77

Page 64: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

QuickTime™ et undécompresseur

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Nancy Kiang April 2008 SCIENTIFIC AMERICAN, INC.pages 48-55 http://pubs.giss.nasa.gov/docs/2008/2008_Kiang.pdf, [email protected]@nature.berkeley.edu,

QuickTime™ et undécompresseur

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Reflected light

Sunlight

Centro de reaçao

fotons

fotons

Luz emitida

e-

Pigmentos ou moléculas

e- -->

<-- h+

Cr

Chl

Cores de menores intensidade estao presentes nas folhas:DNA pode ser modificado!

Page 65: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

Produçao de etanol2008:

USA: 34 bilhoes de litrosBrazil: 24 bilhoes de litros

Brito Cruz FAPESP Heitor Cantarella IAC-Brazil

2nd. Pan Am Congress Plants BioEnergy - 2010

6565

Page 66: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

29% 23%

19%Cana de açucar em cores

Para aumentar a eficiencia de produçao:

≈ (hgreen - hred)/hgreen 29%

representa a energia economizada para separar cargas no processo da fotosintese.

Mesmas consideraçoes para:eucalipto, napier, sorgo, etc …

Page 67: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

Aplicaçoes

• Catalise artificial (ex. separaçao do H e O da H2O: poluiçao de agua, produçao de energia )

• Catalise natural (fotosintese - aumento da biomassa: cana, sorgo, milho, …)

•Prevençao do cancer causado por UV (efeito da separaçao de cargas).

• Separaçao de cargas e detonaçao (explicaçao da explosao da AZF-Toulouse 2001 ?).

• Estudo espectral de plantaçoes (por emissao e nao por reflexao), … PRI=(R531-R570)/(R531+R570) % of Chl/Car. R substituido por E.

. Estudos de planetas extra solares …(Nasa utilisa reflexao e nao emissao para as cores da vejetaçao)

Page 68: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

Qu ickTime™ et undécompresseur

son t req u is pou r visionner cet te image.

Quantas estruturas quanticas (nanotecnologia) nos temos num cabinho de flor vermelha

como esta?

molécula vol. ~1 nm3 Fio: vol. 0.05 cm x 2 cm= 0.05 mm3

temos ~1020 interfaces Fotosintese é

nanotecnologia…

Page 69: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

Conclusoes:

- Mecanismo de separaçao de cargas elétricas: ainda ha muito trabalho para fazer!

- Somente a interdisciplinaridade podera resolver estes enigmas de mais de 350 anos…Precisamos da:

• Biologia,• Agronomia,• Quimica,• Matematica, • Fisica, etc ….. para evoluir um pouco mais !

- Porque as plantas sao de cor majoritariamente verdes (amarelas ou marrom)?

Propomos:uma emissao sendo funçao da energia gasta para separar cargas.

- Sera que poderemos copiar o processo da fotosintese em plantas?

Talvez as interfaces energéticas do tipo II sejam as unicas capazes de fazer tal proeza.

http://arxiv.org/pdf/1005.1337v1

Page 70: Fotossíntese,  re-visitando a enigmática questão: porque as plantas são verdes?

QuickTime™ et un décompresseurPhoto - JPEG sont requis pour visualiser

cette image.

A Bourgogne: DijonVillars Fontaine proximo de Nuits St. Georges, Clos Vougeot: Onde os primeiros estudos cientificos foram iniciados pelos padres capuchinos, na França

Obrigado se voces puderem desvendar meus segredos !

Marco Sacilotti, [email protected] Online:Nasa Arxiv: http://arxiv.org/pdf/1005.1337v1