Hoe planten prestaties van de kwantummechanica kunnen leveren

Het is nu lente op het noordelijk halfrond en de wereld om ons heen is groen. Buiten mijn raam staan ​​bomen vol met bladeren die zich gedragen als miniatuurplanten, zonlicht opvangen en er voedsel van maken. We weten dat deze basistransactie plaatsvindt, maar hoe vindt fotosynthese echt plaats?

Tijdens fotosynthese gebruiken planten kwantummechanische processen. Om te begrijpen hoe planten dit doen, Wetenschappers aan de Universiteit van Chicago Hij modelleerde onlangs hoe bladeren werken op moleculair niveau. Ze stonden versteld van wat ze zagen. Het blijkt dat planten zich gedragen als een vreemde vijfde toestand van materie die bekend staat als een Bose-Einstein-condensaat. Nog vreemder, deze condensaten worden meestal gevonden bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt. Dat ze op een normale, milde lentedag om ons heen zijn, is een echte verrassing.

energiezuinige landen

De drie meest voorkomende toestanden van materie zijn vast, vloeibaar en gas. Wanneer druk of warmte wordt toegevoegd of verwijderd, kan materie tussen deze toestanden overgaan. We horen vaak dat plasma de vierde toestand van materie is. In plasma lossen atomen op tot een soep van positief geladen ionen en negatief geladen elektronen. Dit gebeurt meestal wanneer het materiaal te heet wordt. De zon is bijvoorbeeld meestal een grote bal van oververhit plasma.

Als materie erg heet kan zijn, kan het ook onderkoeld zijn, waardoor deeltjes in zeer lage energietoestanden terechtkomen. Om te begrijpen wat er daarna gebeurt, is enige kennis van deeltjesfysica vereist.

Er zijn twee hoofdtypen deeltjes, bosonen en fermionen, en wat hen onderscheidt is een eigenschap die spin wordt genoemd – een merkwaardig mechanische eigenschap die verband houdt met het impulsmoment van een deeltje. Bosonen zijn deeltjes met gehele spins (0, 1, 2, etc.), terwijl fermionen halve integer spins hebben (1/2, 3/2, etc.). Deze eigenschap is eerder beschreven Spinstatistieken theorie, wat betekent dat als je twee bosonen verwisselt, je dezelfde golffunctie behoudt. Je kunt niet hetzelfde doen met fermionen.

in Bose-Einstein condensator, hebben de bosonen in een substantie zo’n lage energie dat ze allemaal dezelfde toestand innemen en als een enkel deeltje werken. Hierdoor kunnen kwantumeigenschappen op macroscopische schaal worden bekeken. A Bose-Einstein condensator Het werd voor het eerst gemaakt in een laboratorium in 1995, bij een temperatuur van niet meer dan 170 nanokelvin.

Kwantitatieve fotosynthese

Laten we nu eens kijken wat er in een typisch blad gebeurt tijdens fotosynthese.

Planten hebben drie basisingrediënten nodig om hun eigen voedsel te maken: koolstofdioxide, water en licht. Een pigment genaamd chlorofyl Het absorbeert energie uit licht in rode en blauwe golflengten. Het weerkaatst licht in andere golflengten, waardoor de plant groen lijkt.

Op moleculair niveau wordt het een stuk interessanter. Het geabsorbeerde licht prikkelt een elektron in de chromofoor, een deel van het molecuul dat de reflectie of absorptie van licht bepaalt. Dit start een reeks kettingreacties die uiteindelijk suikers produceren voor de plant. Met behulp van computermodellen onderzochten onderzoekers van de Universiteit van Chicago wat er gebeurde in groene zwavelbacteriën, een fotosynthetische microbe.

Licht exciteert een elektron. Nu werken het elektron en de lege ruimte die het achterliet, het gat genaamd, samen als een boson. Dit elektron-gat paar wordt een exciton genoemd. De exciton reist om elders energie af te leveren, waar suikers voor het organisme worden aangemaakt.

“Chromoforen kunnen energie tussen hen overdragen in de vorm van excitonen naar een interactiecentrum waar de energie kan worden gebruikt, zoals een groep mensen die een bal naar een doelwit passeert”, legt Anna Scottin, de hoofdauteur van het onderzoek, uit aan Big Think. .

Wetenschappers hebben ontdekt dat de paden van excitonen binnen de gelokaliseerde regio’s vergelijkbaar zijn met die in een excitoncondensor – een Bose-Einstein-condensaat gemaakt van excitonen. De uitdaging met excitoncondensatoren is dat elektronen en ionen snel recombineren. Zodra dit gebeurt, verdwijnt de exciton, vaak voordat zich een condensator kan vormen.

Het is heel moeilijk om deze condensaten in het laboratorium te maken, maar ze waren hier, recht voor de ogen van wetenschappers, in een chaotisch organisme bij kamertemperatuur. Door gecondenseerde vorming vormden de excitonen een enkele kwantumtoestand. In wezen gedroegen ze zich als een enkel deeltje. Dit vormt een supervloeistof – een vloeistof zonder viscositeit en zonder wrijving – waardoor energie vrij kan stromen tussen de chromoforen.

Hun resultaten zijn gepubliceerd in PRX-energie.

chaotische omstandigheden

Excitonen vervallen meestal snel, en als ze dat doen, kunnen ze geen energie meer overdragen. Om ze een langer leven te geven, moeten ze meestal erg koud worden bewaard. In feite zijn excitoncondensatoren nog nooit eerder gezien boven temperaturen van 100 K, wat een lauwe min 173 graden Celsius is. Daarom is het zo verrassend om dit gedrag te zien in een echt chaotisch systeem bij normale temperaturen.

Dus wat is hier aan de hand? Gewoon een andere manier waarop de natuur ons constant verrast.

“Fotosynthese werkt bij normale temperaturen omdat de natuur bij normale temperaturen moet werken om te overleven, dus het proces is daarvoor geëvolueerd”, zegt Schotten.

In de toekomst kunnen Bose-Einstein-condensaten op kamertemperatuur praktische toepassingen hebben. Omdat ze zich gedragen als een enkel atoom, kunnen Bose-Einstein-condensaten ons inzicht geven in kwantumeigenschappen die moeilijk waar te nemen zijn op atomair niveau. Daar hebben ze ook apps voor gyrosEn Maïs laserEn Zeer nauwkeurige tijd-, zwaartekracht- of magnetische sensorenEn Hogere niveaus van energie-efficiëntie en transmissie.