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 нескольким состояниям 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 понять 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 в хлорофилле.
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