В новом исследовании, опубликованном в журнале Chemical Science, ученые из Мюнхенского технического университета (TUM) раскрыли удивительную квантово-механическую роль фотосинтеза, которая может пересмотреть наше понимание передачи энергии растениями.
Их выводы, подкрепленные передовыми технологиями и теоретическими моделями, раскрывают решающую роль мимолетного энергетического состояния в молекулах хлорофилла, открывая захватывающие возможности для биоинспирированных энергетических решений.
«Когда свет поглощается, например, в листе, электронная энергия возбуждения распределяется по нескольким состояниям каждой возбужденной молекулы хлорофилла; это называется суперпозицией возбужденных состояний», — пояснил в пресс-релизе соавтор исследования, профессор TUM доктор Юрген Хауэ. «Это первый этап почти без потерь переноса энергии внутри и между молекулами, который делает возможным эффективный дальнейший перенос солнечной энергии».
«Поэтому квантовая механика играет центральную роль в понимании первых шагов переноса энергии и разделения зарядов».
Фотосинтез давно известен как высокоэффективный процесс, в ходе которого растения, водоросли и бактерии преобразуют солнечный свет в химическую энергию. Центральное место в этом процессе занимает хлорофилл — зеленый пигмент, отвечающий за улавливание света.
Традиционные модели переноса энергии в хлорофилле сфокусированы на прямой последовательности путей релаксации энергии. Однако новое исследование показывает, что энергетическая динамика гораздо сложнее, чем считалось ранее, и включает в себя квантовые взаимодействия, которые могут объяснить практически идеальную энергоэффективность природы.
В предыдущих исследованиях изучалась возможность того, что фотосинтез может быть связан с загадочным и неопознанным пятым состоянием материи. Однако, используя передовую спектроскопию с контролем поляризации и квантовое динамическое моделирование, исследователи заново проанализировали роль квантовой механики и состояния Qx в хлорофилле a, которое ранее не принималось во внимание из-за его исключительно короткоживущей природы.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что Qx выступает в качестве важнейшего посредника в передаче энергии, существуя менее 30 фемтосекунд — короче, чем экспериментальное временное разрешение — до передачи энергии в состояние Qy, которое в конечном итоге направляет энергию к реакционному центру фотосинтеза.
В течение многих лет ученые спорили о точном механизме передачи хлорофиллом поглощенной световой энергии. Традиционная точка зрения предполагала прямой путь между состояниями B и Q. Однако данное исследование ставит под сомнение эту точку зрения, демонстрируя, что состояние Qx играет важнейшую роль связующего звена между этими состояниями.
В экспериментах, проведенных в TUM, использовалась сверхбыстрая спектроскопия переходного поглощения для наблюдения за тем, как энергия перемещается через молекулы хлорофилла. Полученные результаты свидетельствуют о том, что Qx способствует почти мгновенному переходу энергии, а не является несущественным состоянием, помогая оптимизировать передачу энергии и снижая потери. Это открытие может иметь глубокие последствия для искусственного фотосинтеза и технологии солнечной энергии.
Одним из наиболее интригующих аспектов исследования является роль квантовой когерентности в фотосинтетическом переносе энергии. Квантовая когерентность означает одновременное существование нескольких квантовых состояний, что позволяет энергии эффективно проходить через систему.
Исследователи обнаружили, что вибронная связь — взаимодействие между электронными и колебательными состояниями — играет ключевую роль в обеспечении быстрого и эффективного направления энергии внутри молекулы хлорофилла.
Исследователи надеются разработать новые материалы и системы, имитирующие эту эффективность, для создания устойчивых энергетических решений. Например, искусственный фотосинтез — область, занимающаяся воспроизведением природного процесса для получения чистой энергии, — может извлечь из этих открытий огромную пользу.
Существующие искусственные фотосинтетические системы часто страдают от неэффективности, что ограничивает их практическое применение. Включив недавно понятую роль Qx и квантовой когерентности в искусственные конструкции, ученые смогут разработать более эффективные солнечные батареи и технологии возобновляемой энергии.
Исследование также дает представление об оптимизации систем сбора света в водорослях и бактериях, которые можно использовать для производства биотоплива. Если ученые смогут разработать аналоги хлорофилла с улучшенными свойствами передачи энергии, то будущее устойчивой энергетики может значительно продвинуться.
Исследование открывает возможности для дальнейшего изучения квантовых эффектов в биологических системах. Будущие исследования будут направлены на совершенствование теоретических моделей и экспериментальных методов, чтобы выяснить, имеют ли другие светоулавливающие системы схожие механизмы. Кроме того, применение этих принципов в практических энергетических технологиях остается ключевой задачей для физиков, химиков и материаловедов.
Этот прорыв в понимании фотосинтеза на квантовом уровне знаменует собой значительный шаг к открытию новых, вдохновленных природой энергетических решений. Поскольку ученые продолжают исследовать пересечение квантовой механики и биологии, потенциал революционных достижений в области возобновляемых источников энергии может быть огромным.
В конечном итоге, раскрывая мимолетную, но важную роль состояния Qx в фотосинтетической передаче энергии, это исследование бросает вызов давним предположениям и предлагает новые пути для инноваций. Квантовая механика, лежащая в основе фотосинтеза, может открыть следующее поколение технологий устойчивой энергетики. Эти результаты также подчеркивают глубокое влияние квантового мира на биологические системы и природную вселенную.