Фотосинтез — это процесс, посредством которого растения преобразуют солнечный свет в энергию, и он основан на чрезвычайно эффективной системе передачи энергии. Прежде чем световую энергию можно будет преобразовать в химическую энергию, ее необходимо сначала захватить и передать — процесс, который происходит почти мгновенно и с минимальными потерями энергии. Новое исследование кафедры динамической спектроскопии Мюнхенского технического университета (TUM) показывает, что квантово-механические эффекты играют решающую роль в этом процессе передачи энергии.
С помощью точных измерений и моделирования исследовательская группа под руководством профессоров Эрики Кейл и Юргена Хауэра выявила, как эти квантовые эффекты повышают эффективность фотосинтеза.
Эффективное использование солнечной энергии и сохранение ее в виде химической энергии уже давно является проблемой для инженеров. Однако природа решила эту проблему миллиарды лет назад. Новое исследование показывает, что квантовая механика — это не просто концепция для физиков, но она также играет решающую роль в биологических процессах.
Зеленые растения и другие фотосинтезирующие организмы используют квантовую механику для захвата и передачи солнечного света с необычайной эффективностью. Как объясняет профессор Юрген-Хауэр: «Например, когда свет поглощается листом, энергия электронного возбуждения распределяется по множеству состояний каждой возбужденной молекулы хлорофилла; это называется суперпозицией возбужденных состояний. Это первая стадия почти без потерь передачи энергии внутри и между молекулами, что делает возможной эффективную прямую передачу солнечной энергии. Поэтому квантовая механика имеет решающее значение для понимания первых шагов в передаче энергии и разделении зарядов».
Процесс передачи энергии хлорофилла, который невозможно удовлетворительно объяснить с помощью одной только классической физики, происходит непрерывно в зеленых растениях и других фотосинтезирующих организмах (например, фотосинтезирующих бактериях). Однако точный механизм остается не до конца выясненным. Холл и первый автор Эрика Кайл считают, что их исследование закладывает новую важную основу для выяснения того, как работает хлорофилл, пигмент хлорофилла.
Применение этих результатов при разработке устройств искусственного фотосинтеза может помочь использовать солнечную энергию для выработки электроэнергии или проводить фотохимические исследования с беспрецедентной эффективностью.
В этом исследовании исследователи рассмотрели два конкретных спектральных сегмента, в которых хлорофилл поглощает свет: низкоэнергетическую область Q (спектральный диапазон от желтого до красного) и высокоэнергетическую область B (спектральный диапазон от синего до зеленого). Q-область состоит из двух разных электронных состояний, связанных квантовой механикой. Эта связь приводит к передаче энергии без потерь в молекуле. Затем система расслабляется путем «охлаждения» (т. е. высвобождения энергии в виде тепла). Это исследование показывает, что квантово-механические эффекты могут оказывать решающее влияние на биологически важные процессы.
Составлено из /ScitechDaily