Wetenschappers vinden verband tussen fotosynthese en de ‘vijfde toestand van materie’

In het laboratorium verwonderen wetenschappers zich over een vreemde toestand die ontstaat wanneer ze atomen afkoelen tot bijna het absolute nulpunt. Buiten het raam vangen bomen zonlicht op en veranderen het in verse bladeren. De twee lijken niets met elkaar te maken te hebben, maar een nieuwe studie van de Universiteit van Chicago suggereert dat deze processen niet zo verschillend zijn als ze aan de oppervlakte lijken.

De studie gepubliceerd in PRX-energie Op 28 april werden op atomair niveau verbanden gevonden tussen fotosynthese en excitoncondensaten – een vreemde staat van fysica die ervoor zorgt dat energie wrijvingsloos door materie kan stromen. De auteurs zeiden dat de bevindingen wetenschappelijk interessant zijn en nieuwe manieren van denken over elektronica-ontwerp kunnen suggereren.

“Voor zover we weten, zijn deze regio’s nog nooit eerder met elkaar verbonden, dus we vonden dit zeer boeiend en opwindend”, zegt professor David Mazziotti, co-auteur van de studie.

Mazziotti’s lab is gespecialiseerd in het modelleren van complexe interacties van atomen en moleculen omdat ze interessante eigenschappen vertonen. Er is geen manier om deze interacties met het blote oog te zien, dus computermodellering kan wetenschappers inzicht geven in waarom een ​​gedrag optreedt – en het kan ook een basis vormen voor het ontwerpen van toekomstige technologie.

In het bijzonder hebben Mazziotti en co-auteurs Anna Schouten en LeeAnn Sager-Smith gemodelleerd naar wat er op moleculair niveau gebeurt wanneer fotosynthese plaatsvindt.

Wanneer een foton van de zon een blad raakt, veroorzaakt dat een verandering in een speciaal ontworpen molecuul. Energie slaat een elektron uit. Het elektron, en het “gat” dat het ooit was, kan nu rond het blad reizen en de energie van de zon naar een ander gebied brengen waar het een chemische reactie op gang brengt om suikers voor de plant te maken.

Samen wordt dit reizende elektron-gatpaar een “exciton” genoemd. Toen het team in vogelvlucht keek en modelleerde hoe de meerdere excitonen bewegen, merkten ze iets vreemds op. Ze zagen patronen in de banen van de excitonen die er opmerkelijk bekend uitzagen.

In feite leek het erg op het gedrag van een stof die bekend staat als een Bose-Einstein-condensaat, ook wel bekend als de ‘vijfde toestand van de materie’. In dit materiaal kunnen excitonen betrekking hebben op dezelfde kwantumtoestand – een beetje zoals een stel bellen die allemaal perfect op elkaar zijn afgestemd. Hierdoor kan energie zonder wrijving door materie bewegen. (Dit soort vreemd gedrag intrigeert wetenschappers omdat ze de kiem zouden kunnen zijn van fascinerende technologie – een vergelijkbare toestand die supergeleiding wordt genoemd, is bijvoorbeeld de basis voor MRI-machines.)

Volgens modellen van Schouten, Sager-Smith en Mazziotti kunnen excitonen in een vel zich soms verhouden op een manier die vergelijkbaar is met het gedrag van een excitoncondensator.

Dit was een grote verrassing. Exciton-condensaten worden alleen gezien als het materiaal aanzienlijk onder kamertemperatuur wordt afgekoeld. Het zou zijn alsof je ijsblokjes ziet ontstaan ​​in een kop hete koffie.

“Het fotonische licht wordt geoogst in een systeem bij kamertemperatuur en bovendien is de structuur ongeordend – in tegenstelling tot de originele amorfe materialen en koude temperaturen die je gebruikt om excitoncondensors te maken”, legt Schotten uit.

De wetenschappers zeiden dat dit effect niet totaal is – het lijkt meer op de vorming van “eilanden” van condensaat. “Maar dit is nog steeds genoeg om de energieoverdracht in het systeem te verbeteren”, zei Sager-Smith. Hun modellen suggereren zelfs dat het de efficiëntie kan verdubbelen.

Dit opent een aantal nieuwe mogelijkheden voor het genereren van synthetische materialen voor toekomstige technologie, zei Mazziotti. “Ideale excitoncondensatie is delicaat en vereist veel speciale omstandigheden, maar voor real-world toepassingen is het opwindend om iets te zien dat de efficiëntie verbetert, maar dat kan gebeuren in omgevingsomstandigheden.”

De bevinding speelt ook een rol in een bredere benadering die zijn team al tien jaar onderzoekt, zei Mazziotti.

De interacties tussen atomen en moleculen in processen zoals fotosynthese zijn ongelooflijk complex – zelfs voor een supercomputer moeilijk te hanteren – dus wetenschappers moesten traditioneel hun modellen vereenvoudigen om er grip op te krijgen. Maar Mazziotti vindt dat sommige delen moeten worden weggelaten: “We denken dat de lokale correlatie van elektronen essentieel is om vast te leggen hoe de natuur echt werkt.”