ترفندهای کوانتومی برگ‌ها را به صفحات خورشیدی عالی تبدیل می‌کنند، دانشمندان چگونه این را کشف کردند
مطالعه‌ای جدید نوری تازه بر چگونگی حمل و نقل کارآمد انرژی خورشیدی توسط گیاهان سبز و دیگر ارگانیسم‌های فتوسنتزی می‌اندازد. تحقیقات اخیر همچنین اهمیت مکانیک کوانتومی در امکان‌پذیرسازی حرکت تقریبا بدون اتلاف انرژی از جذب نور تا ذخیره به صورت انرژی شیمیایی را برجسته می‌کند.
این پدیده‌ای است که مهندسان برای دهه‌ها تلاش کرده‌اند تا آن را تقلید کنند تا از انرژی پاک بهره‌برداری کنند.
بر اساس اظهارات پروفسور یورگن هوئر، یکی از نویسندگان مطالعه، "وقتی نور در یک برگ جذب می‌شود، به عنوان مثال، انرژی تحریک الکترونیکی بر چندین حالت هر مولکول کلروفیل تحریک شده توزیع می‌شود؛ این به عنوان سوپراپوزیشن حالت‌های تحریک شده شناخته می‌شود."
"این اولین گام در انتقال انرژی تقریبا بدون اتلاف درون و بین مولکول‌ها است و انتقال کارآمد انرژی خورشیدی را ممکن می‌سازد. بنابراین مکانیک کوانتومی برای درک اولین مراحل انتقال انرژی و جدایش بار مهم است."
درک ترفندهای کوانتومی استفاده‌شده توسط برداشت‌کننده نور تقریبا کامل طبیعت
گیاهان و باکتری‌های فتوسنتزی مدتها است که کارایی در تبدیل انرژی نشان داده‌اند که فیزیک متعارف تلاش می‌کند به‌طور کامل توضیح دهد. این مطالعه به روشن کردن آنچه که کلروفیل را به یک برداشت‌کننده نوری قدرتمند تبدیل می‌کند، اشاره دارد.
هور و اریکا کیل، نویسنده اول، می‌گویند یافته‌ها بخش مهمی از معمای چگونگی انتقال انرژی در سطح کوانتومی را ارائه می‌دهد، دانشی که می‌تواند به‌صورت نظری به توسعه واحدهای فتوسنتز مصنوعی برای بهره‌برداری از انرژی خورشیدی با کارایی بی‌نظیر کمک کند.
با تمرکز بر دو بخش از طیف جذب کلروفیل، محققان هر دو منطقه انرژی پایین Q (محدوده زرد تا قرمز) و منطقه انرژی بالا B (آبی تا سبز) را بررسی کردند. در منطقه Q، دو حالت الکترونیکی نزدیک به هم به صورت کوانتومی متصل هستند، تعاملی که نقش کلیدی در انتقال تقریبا بدون اتلاف انرژی دارد.
سیستم تحریک‌شده به‌طور متوالی با آزاد کردن گرما آرام می‌شود. بر اساس گفته‌های نویسندگان، این گام "خنک‌سازی" یک گذار حیاتی از حالت پرانرژی به حالت انرژی پایین‌تر بدون اتلاف انرژی است.
بررسی مسیر انتقال انرژی بدون اتلاف
چکیده مطالعه توضیح می‌دهد که تیم چگونه از اسپکتروسکوپی‌های نوری ایستا و فوق سریع کنترل شده با قطب‌بندی برای مشاهده این فرایندها در کلروفیل a استفاده کردند. آن‌ها آزمایش‌ها را با مدل‌های محاسباتی پشتیبانی کردند و دریافتند که انرژی در یک مقیاس زمانی حدود 100 فمتوثانیه جریان می‌یابد (یک فمتوثانیه یک کوادریلیونم ثانیه است).
در حالتی که یک حالت واسطه‌ای کلیدی (Qx) به‌طور موقتی در یک مقیاس زمانی کمتر از 30 فمتوثانیه وجود دارد، تیم نتیجه می‌گیرد که حضور کوتاه مدت آن برای پل‌زدن انرژی بین مناطق B و Q ضروری است. فرآیند کلی به‌گونه‌ای بسیط اجرا می‌شود که تقریباً بدون اتلاف حرکت انرژی را فراهم می‌آورد.
همانطور که هوئر اشاره می‌کند، طبیعت "یک راه‌حل کامل" برای تبدیل ورودی خورشیدی به انرژی شیمیایی یافته است. درک تعامل پیچییده حالت‌های کوانتومی در کلروفیل می‌تواند به دانشمندان کمک کند روش‌های تولید برق یا شیمی‌فتو به‌طور مشابه کارآمد طراحی کنند.
تحقیقات در مورد این مکانیسم‌ها همچنان ادامه دارد، اما نویسندگان این نتایج را گامی مهم به سمت تقلید از موفقیت‌های طبیعت می‌دانند که ممکن است راه را برای راه‌حل‌های انرژی تجدید پذیر کارآمدتر باز کند. با روشن کردن نحوه عملکرد گیاهان در سطح زیراتمی، این مطالعه ممکن است نوآوری‌های آینده در جذب قدرت خورشید را هدایت کند.
