3 مه 2023 -توسط لوئیز لرنر، دانشگاه شیکاگو-دو مسیر که توسط دو مکان هر کروموفور نشان داده می شود. وقتی ξ=0، هیچ جفت بین کروموفور متقاطع سایتی وجود ندارد، همانطور که نشان داده شده است. هنگامی که V> 0، جفت شدن وجود دارد که منجر به تداخل کوانتومی بین مکان های هر کروموفور می شود. امواج نشان می‌دهند که تداخل کوانتومی می‌تواند سازنده یا مخرب باشد، با تداخل سازنده بازده انتقال انرژی را افزایش می‌دهد. اعتبار: PRX Energy (2023). DOI:
در داخل یک آزمایشگاه، دانشمندان از حالت عجیبی که وقتی اتم ها را تا نزدیک به صفر مطلق سرد می کنند، به وجود می آید شگفت زده می شوند. درختان در بیرون پنجره خود نور خورشید را جمع می کنند و آنها را به برگ های جدید تبدیل می کنند. به نظر می‌رسد که این دو ربطی به هم ندارند، اما یک مطالعه جدید از دانشگاه شیکاگو نشان می‌دهد که این فرآیندها آنقدر که ممکن است در ظاهر ظاهر شوند متفاوت نیستند.
این مطالعه که در 28 آوریل در PRX Energy منتشر شد، پیوندهایی را در سطح اتمی بین فتوسنتز و میعانات اکسایتون پیدا کرد – حالت عجیبی از فیزیک که به انرژی اجازه می‌دهد بدون اصطکاک در یک ماده جریان یابد. به گفته نویسندگان، این یافته از نظر علمی جالب است و ممکن است راه‌های جدیدی را برای تفکر در مورد طراحی الکترونیک ارائه دهد.
پروفسور دیوید مازیوتی، یکی از نویسندگان این مطالعه، گفت: “تا آنجا که ما می دانیم، این موضوعات قبلا هرگز به هم متصل نبوده اند، بنابراین ما این موضوع را بسیار جذاب و هیجان انگیز یافتیم.”
آزمایشگاه Mazziotti در مدل‌سازی برهم‌کنش‌های پیچیده اتم‌ها و مولکول‌ها تخصص دارد زیرا خواص جالبی از خود نشان می‌دهند. هیچ راهی برای دیدن این فعل و انفعالات با چشم غیرمسلح وجود ندارد، بنابراین مدل‌سازی رایانه‌ای می‌تواند دریچه‌ای به دانشمندان در مورد اینکه چرا این رفتار اتفاق می‌افتد و همچنین می‌تواند پایه‌ای برای طراحی فناوری آینده ارائه دهد.
به طور خاص، مازیوتی و نویسندگان همکار آنا شوتن و لی آن ساگر اسمیت در حال مدل‌سازی آنچه در سطح مولکولی هنگام فتوسنتز اتفاق می‌افتد، انجام داده‌اند.
هنگامی که یک فوتون از خورشید به برگ برخورد می کند، جرقه تغییر در یک مولکول ویژه طراحی شده را ایجاد می کند. انرژی یک الکترون را از دست می دهد. الکترون، و “حفره” جایی که قبلا بود، اکنون می تواند در اطراف برگ حرکت کند و انرژی خورشید را به ناحیه دیگری منتقل کند که در آن واکنش شیمیایی برای تولید قند برای گیاه ایجاد می کند.
با هم، آن جفت الکترون و حفره در حال حرکت به عنوان “اکسایتون” نامیده می شود. هنگامی که تیم یک دید چشم پرنده گرفتند و نحوه حرکت چند اکسایتون را مدل کردند، متوجه چیز عجیبی شدند. آنها الگوهایی را در مسیرهای اکسیتون ها دیدند که به طرز چشمگیری آشنا به نظر می رسید.
در واقع، بسیار شبیه رفتار ماده ای بود که به عنوان میعانات بوز-انیشتین شناخته می شود، که گاهی اوقات به عنوان “حالت پنجم ماده” شناخته می شود. در این ماده، اکسایتون‌ها می‌توانند به حالت کوانتومی یکسانی متصل شوند – به نوعی مانند مجموعه‌ای از زنگ‌ها که همه به طور کامل به صدا در می‌آیند. این به انرژی اجازه می دهد تا در اطراف ماده با اصطکاک صفر حرکت کند.این نوع رفتارهای عجیب دانشمندان را مجذوب خود می کند زیرا می توانند بذرهایی برای فناوری قابل توجه باشند – برای مثال، حالت مشابهی به نام ابررسانایی اساس ماشین های MRI است.
با توجه به مدل‌های ایجاد شده توسط شوتن، ساگر اسمیت و مازیوتی، اکسیتون‌های موجود در برگ گاهی اوقات می‌توانند به روش‌هایی شبیه به رفتار میعان اکسایتون به هم متصل شوند.این یک شگفتی بزرگ بود. میعانات اکسایتون تنها زمانی دیده می شوند که مواد به میزان قابل توجهی زیر دمای اتاق خنک شوند. شبیه به شکل گیری تکه های یخ در یک فنجان قهوه داغ است.
شوتن توضیح داد: «برداشت نور فتوسنتزی در سیستمی انجام می‌شود که در دمای اتاق است و علاوه بر این، ساختار آن بی‌نظم است – بسیار بر خلاف مواد متبلور بکر و دماهای سردی که برای ساختن میعانات اکسایتون استفاده می‌کنید.»
به گفته دانشمندان، این اثر کامل نیست – بیشتر شبیه به “جزایر” تشکیل میعانات است. ساگر اسمیت می‌گوید: «اما این هنوز برای افزایش انتقال انرژی در سیستم کافی است. در واقع، مدل‌های آنها نشان می‌دهد که می‌تواند کارایی آن را دو برابر کند.
Mazziotti گفت که این فرصت‌های جدیدی را برای تولید مواد مصنوعی برای فناوری آینده باز می‌کند. یک میعانات اکسایتون ایده آل بسیار حساس است و به شرایط خاص زیادی نیاز دارد، اما برای کاربردهای واقعی، دیدن چیزی که کارایی را افزایش می دهد اما می تواند در شرایط محیطی اتفاق بیفتد، هیجان انگیز است.
مازیوتی گفت که این یافته همچنین به رویکرد گسترده‌تری کمک می‌کند که تیم او برای یک دهه در حال بررسی بوده است.
فعل و انفعالات بین اتم‌ها و مولکول‌ها در فرآیندهایی مانند فتوسنتز بسیار پیچیده است – حتی برای یک ابررایانه نیز دشوار است – بنابراین دانشمندان به‌طور سنتی مجبور بوده‌اند مدل‌های خود را ساده‌سازی کنند تا بتوانند به آنها رسیدگی کنند. اما ماتزیوتی فکر می‌کند که باید برخی از بخش‌ها را رها کرد: «ما فکر می‌کنیم که همبستگی محلی الکترون‌ها برای درک چگونگی عملکرد واقعی طبیعت ضروری است.»
