Fotosynthese maakt gebruik van een proces dat verrassend dicht bij een Bose-Einstein-condensor ligt

Je zou kunnen denken dat gezien de basale en alomtegenwoordige fotosynthese, we al lang geleden hadden uitgezocht hoe het werkt. In plaats daarvan blijven de belangrijkste onderdelen van het proces een mysterie. Nieuw onderzoek suggereert dat een van deze fasen opvallende overeenkomsten vertoont met excitoncondensatoren, iets waar natuurkundigen veel moeite voor hebben moeten doen om het in het laboratorium te produceren.

Professor David Mazzotti van de Universiteit van Chicago leidt een laboratorium dat computermodellering gebruikt om te proberen de manier te begrijpen waarop atomen en moleculen in belangrijke chemische processen op elkaar inwerken. Weinig van deze reacties zijn zo vitaal en gebruikelijk als fotosynthese, waarbij planten en algen energie uit zonlicht gebruiken om suikers en zetmeel te maken.

Het proces begint met fotonen die de losse elektronen in de bladeren raken, waardoor zowel het elektron als het “gat” waar de lading was, door het chromofyl (chlorofylmolecuul) konden bewegen en zonne-energie vervoerden. Hoewel dit al lang bekend is, melden Mazziotti en collega’s dat groepen elektronen, gaten en gaten niet altijd als individuen bewegen.

Samen staan ​​​​een elektron en zijn gat bekend als een exciton, en wanneer ze samen worden bekeken, heeft een elektron verschillende kwantumeigenschappen dan elk afzonderlijk. Een exciton is bijvoorbeeld een boson, terwijl een elektron en een gat beide fermionen zijn. Door het gedrag van veel excitonen te modelleren, in plaats van elk afzonderlijk, realiseerden de onderzoekers zich hoe vergelijkbaar hun gedrag was met een Bose-Einstein-condensaat, dat soms bekend staat als de “vijfde toestand van materie” na conventionele vaste stoffen, vloeistoffen, gassen en plasma’s. .

Bose-Einstein-condensaten stellen grote groepen atomen in staat het soort geestverruimende kwantumgedrag te vertonen dat normaal gesproken alleen op subatomair niveau wordt gezien. Ze kunnen niet alleen afzien van universele fenomenen als wrijving, maar ze kunnen zich ook bezighouden met exotische kwantumactiviteiten zoals het combineren van golf- en deeltjesgedrag.

Om Bose-Einstein-condensaten te maken, moeten wetenschappers geordende materialen afkoelen tot temperaturen net boven het absolute nulpunt, maar planten doen momenteel iets soortgelijks buiten je raam (als het daglicht is). “Het fotonische licht wordt geoogst in een systeem bij kamertemperatuur en bovendien is de structuur ongestructureerd – in tegenstelling tot de oorspronkelijke amorfe materialen en koude temperaturen die je gebruikt om excitoncondensors te maken”, zegt Anna Skotin, de eerste afgestudeerde student van het onderzoek. A stelling.

De ontdekking werd niet eerder gedaan, deels omdat vegetatieve excitonen van korte duur zijn en zich meestal snel weer combineren. Naast lage temperaturen kan recombinatie van excitonen worden vertraagd door sterke magnetische velden, maar die hebben planten natuurlijk ook niet.

“Zo ver we weten [photosynthesis and exciton condensates] De verbinding was nog niet eerder gemaakt, dus we vonden dit erg boeiend en opwindend”, zei Mazziotti.

Misschien nog verrassender is dat excitonen die gekleurd zijn door chromoforen niet allemaal condensatorachtig worden. In plaats daarvan vormen de vlekken, die de auteurs een “eiland” noemen. Deze eilanden zijn echter geen ongerelateerde curiositeit.

Een lommerrijke groep excitonen. Het artikel merkt op dat het “misschien enkele van de eigenschappen mist die geassocieerd worden met macroscopische excitoncondensatie”, maar “het zal waarschijnlijk veel voordelen behouden, waaronder efficiënte overdracht van energie.” Als dat zo is, zou het de fotosynthese efficiënter maken en bijdragen aan de rijkdom en overvloed van het leven. In feite zou een excitoncondensaat onder ideale omstandigheden de snelheid van energieoverdracht kunnen verdubbelen in vergelijking met wat anders mogelijk zou zijn.

Zelfs supercomputers hebben moeite om de complexiteit van atomair en subatomair gedrag tijdens fotosynthese te modelleren, dus de modellen worden simplistischer dan veel andere wetenschappelijke scenario’s. Mazziotti waarschuwt echter dat groepsgedrag iets is dat niet mag worden uitgesloten. “We denken dat de lokale correlatie van elektronen essentieel is om vast te leggen hoe de natuur in werkelijkheid werkt”, zei hij.

De studie is open access op PRX-energie