Udforskning af kvantemekanik i fotosyntese: indsigt i energioverførsel i planter

Den effektive konvertering af solenergi til opbevarbare former for kemisk energi er drømmen for mange ingeniører. Naturen fandt en perfekt løsning på dette problem for milliarder for år siden. En ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Kemisk videnskabviser, at kvantemekanik ikke kun er for fysikere, men også spiller en nøglerolle i biologi.

Fotosyntetiske organismer såsom grønne planter bruger kvantemekaniske processer til at udnytte solens energi, som prof. Jürgen Hauer forklarer, “Når lys absorberes i et blad, for eksempel er den elektroniske excitationsenergi fordelt over flere tilstande af hver ophidset chlorophyll Molekyle;

“Det er den første fase af en næsten tabsfri energioverførsel inden for og mellem molekylerne og gør den effektive videre transport af solenergi muligt. Kvantemekanik er derfor central for at forstå de første trin med energioverførsel og ladningsadskillelse.”

Denne proces, som ikke kan forstås tilfredsstillende af klassisk fysik alene, forekommer konstant i grønne planter og andre fotosyntetiske organismer, såsom fotosyntetiske bakterier. De nøjagtige mekanismer er dog stadig ikke blevet belyst fuldt ud.

Hauer og første forfatter Erika Keil ser deres undersøgelse som et vigtigt nyt grundlag i bestræbelserne på at afklare, hvordan klorofyl, pigmentet i Leaf Green, fungerer. Anvendelse af disse fund i designet af kunstige fotosynteseenheder kan hjælpe med at bruge solenergi med en hidtil uset effektivitet til elproduktion eller fotokemi.

Til undersøgelsen undersøgte forskerne to specifikke sektioner af det spektrum, hvor chlorofyll absorberer lys: lavenergien Q-regionen (gul til rød spektralområde) og højenergi B-regionen (blå til grøn). Q -regionen består af to forskellige elektroniske tilstande, der er mekanisk mekanisk koblet.

Denne kobling fører til tabsfri energi transport i molekylet. Systemet slapper derefter af gennem “afkøling”, dvs. ved at frigive energi i form af varme. Undersøgelsen viser, at kvantemekaniske effekter kan have en afgørende indflydelse på biologisk relevante processer.