Można by pomyśleć, że biorąc pod uwagę, jak podstawowa i wszechobecna jest fotosynteza, już dawno odkryliśmy, jak to działa. Zamiast tego główne części procesu pozostają tajemnicą. Nowe badania sugerują, że jedna z tych faz jest uderzająco podobna do kondensatorów ekscytonowych, coś, co fizycy musieli zadać sobie wiele trudu, aby wyprodukować je w laboratorium.
Profesor David Mazzotti z University of Chicago kieruje laboratorium, które wykorzystuje modelowanie komputerowe do zrozumienia interakcji atomów i cząsteczek w ważnych procesach chemicznych. Niewiele z tych reakcji jest tak żywotnych i powszechnych jak fotosynteza, w której rośliny i glony wykorzystują energię słoneczną do produkcji cukrów i skrobi.
Proces rozpoczyna się od uderzenia fotonów w luźne elektrony w liściach, umożliwiając zarówno elektronowi, jak i „dziurze”, w której ładunek miał przejść przez chromofil (cząsteczkę chlorofilu), przenosząc energię słoneczną. Chociaż wiadomo to od dawna, Mazziotti i współpracownicy donoszą, że grupy elektronów, dziur i dziur nie zawsze poruszają się jak jednostki.
Razem elektron i jego dziura są znane jako ekscyton, a widziany razem elektron ma inne właściwości kwantowe niż każdy z osobna. Na przykład ekscyton jest bozonem, podczas gdy elektron i dziura są fermionami. Modelując zachowanie wielu ekscytonów, a nie każdego z osobna, naukowcy zdali sobie sprawę, jak bardzo ich zachowanie było podobne do kondensatu Bosego-Einsteina, który jest czasami nazywany „piątym stanem materii” po konwencjonalnych ciałach stałych, cieczach, gazach i plazmie .
Kondensaty Bosego-Einsteina pozwalają dużym grupom atomów wykazywać rodzaj kwantowego zachowania, które normalnie obserwuje się tylko na poziomie subatomowym. Nie tylko mogą zrezygnować z uniwersalnych zjawisk, takich jak tarcie, ale mogą także angażować się w egzotyczne działania kwantowe, takie jak łączenie zachowania fal i cząstek.
Aby wytworzyć kondensaty Bosego-Einsteina, naukowcy muszą schłodzić zamówione materiały do temperatur tuż powyżej zera bezwzględnego, ale rośliny robią coś podobnego za oknem właśnie teraz (jeśli jest światło dzienne). „Światło fotoniczne jest zbierane w systemie w temperaturze pokojowej, a co więcej, jego struktura jest nieustrukturyzowana – w przeciwieństwie do oryginalnych materiałów amorficznych i niskich temperatur używanych do produkcji kondensatorów ekscytonów” – powiedziała Anna Skotin, pierwsza doktorantka w badaniu. A oświadczenie.
Odkrycia nie dokonano wcześniej, częściowo dlatego, że ekscytony wegetatywne są krótkotrwałe i zwykle szybko rekombinują. Oprócz niskich temperatur, rekombinację ekscytonów można opóźnić za pomocą silnych pól magnetycznych, ale oczywiście rośliny też ich nie mają.
„O ile wiemy [photosynthesis and exciton condensates] Połączenie nie zostało wykonane wcześniej, więc uznaliśmy to za bardzo fascynujące i ekscytujące” – powiedział Mazziotti.
Być może jeszcze bardziej zaskakujące jest to, że ekscytony, które są zabarwione przez chromofory, nie stają się razem podobne do kondensatorów. Zamiast nich plamy, które autorzy nazywają kształtem „wyspy”. Wyspy te nie są jednak osobliwą ciekawostką.
Liściasta grupa ekscytonów. W artykule zauważono, że „może nie mieć niektórych właściwości związanych z makroskopową kondensacją ekscytonów”, ale „prawdopodobnie zachowa wiele zalet, w tym wydajny transfer energii”. Jeśli tak, zwiększyłoby to wydajność fotosyntezy, przyczyniając się do bogactwa i obfitości życia. Rzeczywiście, w idealnych warunkach kondensacja ekscytonów może podwoić szybkość transferu energii w porównaniu z tym, co byłoby możliwe w innym przypadku.
Nawet superkomputery mają trudności z modelowaniem złożoności zachowania atomów i subatomów podczas fotosyntezy, więc modele stają się bardziej uproszczone niż wiele innych scenariuszy naukowych. Mazziotti ostrzega jednak, że zachowań grupowych nie należy wykluczać. „Uważamy, że lokalna korelacja elektronów jest niezbędna do uchwycenia tego, jak natura działa w rzeczywistości” – powiedział.
Badanie jest otwarte w godz PRX Energia
