Khám phá cơ học lượng tử trong quang hợp: Thông tin chi tiết về quá trình truyền năng lượng ở thực vật
bởi Đại học Kỹ thuật Munich
Tóm tắt đồ họa. Tín dụng: Khoa học Hóa học (2024). DOI: 10.1039/D4SC06441K
Việc chuyển đổi hiệu quả năng lượng mặt trời thành các dạng năng lượng hóa học có thể lưu trữ là ước mơ của nhiều kỹ sư. Thiên nhiên đã tìm ra giải pháp hoàn hảo cho vấn đề này hàng tỷ năm trước. Một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Khoa học Hóa học cho thấy cơ học lượng tử không chỉ dành cho các nhà vật lý mà còn đóng vai trò quan trọng trong sinh học.
Các sinh vật quang hợp như cây xanh sử dụng các quá trình cơ học lượng tử để khai thác năng lượng của mặt trời, như Giáo sư Jürgen Hauer giải thích, "Ví dụ, khi ánh sáng được hấp thụ trong lá, năng lượng kích thích điện tử được phân bổ trên một số trạng thái của mỗi phân tử diệp lục bị kích thích; đây được gọi là sự chồng chập các trạng thái kích thích.
"Đây là giai đoạn đầu tiên của quá trình truyền năng lượng gần như không bị mất mát trong và giữa các phân tử và giúp việc vận chuyển năng lượng mặt trời hiệu quả trở nên khả thi. Do đó, cơ học lượng tử đóng vai trò trung tâm trong việc hiểu các bước đầu tiên của quá trình truyền năng lượng và tách điện tích."
Quá trình này, không thể hiểu một cách thỏa đáng chỉ bằng vật lý cổ điển, diễn ra liên tục ở thực vật xanh và các sinh vật quang hợp khác, chẳng hạn như vi khuẩn quang hợp. Tuy nhiên, các cơ chế chính xác vẫn chưa được làm sáng tỏ hoàn toàn.
Hauer và tác giả đầu tiên Erika Keil coi nghiên cứu của họ là cơ sở mới quan trọng trong nỗ lực làm rõ cách thức hoạt động của diệp lục, sắc tố trong lá xanh. Việc áp dụng những phát hiện này vào thiết kế các đơn vị quang hợp nhân tạo có thể giúp sử dụng năng lượng mặt trời với hiệu quả chưa từng có để tạo ra điện hoặc quang hóa học.
Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã kiểm tra hai phần cụ thể của quang phổ mà diệp lục hấp thụ ánh sáng: vùng Q năng lượng thấp (phạm vi quang phổ từ vàng đến đỏ) và vùng B năng lượng cao (từ xanh lam đến xanh lục). Vùng Q bao gồm hai trạng thái điện tử khác nhau được ghép nối cơ học lượng tử.
Sự ghép nối này dẫn đến quá trình vận chuyển năng lượng không bị mất mát trong phân tử. Hệ thống sau đó thư giãn thông qua "làm mát", tức là bằng cách giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt. Nghiên cứu cho thấy các hiệu ứng cơ học lượng tử có thể có ảnh hưởng quyết định đến các quá trình liên quan đến sinh học.
