光合作用是植物将阳光转化为能量的过程，它依赖于一个极其高效的能量传输系统。 在将光能转化为化学能之前，必须首先捕捉和传输光能，这一过程几乎是瞬间完成的，而且能量损失极小。慕尼黑工业大学（TUM）动态光谱学教席的一项新研究揭示，量子力学效应在这一能量转移过程中起着至关重要的作用。
通过精确测量和模拟，Erika Keil 和 Jürgen Hauer 教授领导的研究小组揭示了这些量子效应是如何提高光合作用的效率的。
长期以来，高效利用太阳能并将其储存为化学能一直是工程师们面临的难题。 然而，大自然早在数十亿年前就解决了这个问题。 一项新的研究表明，量子力学不仅仅是物理学家的概念，它在生物过程中也发挥着至关重要的作用。
绿色植物和其他光合生物利用量子力学捕捉和传递太阳光，效率非凡。 正如于尔根-豪尔教授所解释的那样："例如，当光线被叶片吸收时，电子激发能量分布在每个激发叶绿素分子的多个状态上；这被称为激发态叠加。 这是分子内部和分子之间几乎无损耗的能量转移的第一阶段，使太阳能的有效向前传输成为可能。 因此，量子力学对于理解能量传递和电荷分离的第一步至关重要"。
检查从冷冻菠菜中提取的含有植物叶绿素的样本。 图片来源：Andreas Heddergott / TUM
叶绿素的能量转移过程，仅靠经典物理学是无法令人满意地理解的，它在绿色植物和其他光合生物（如光合细菌）中不断发生。 然而，确切的机制仍未完全阐明。 豪尔和第一作者艾丽卡-凯尔认为，他们的研究为阐明叶绿素（叶绿素中的色素）的工作原理奠定了重要的新基础。
将这些发现应用于人工光合作用装置的设计，有助于以前所未有的效率利用太阳能发电或进行光化学研究。
第一作者 Erika Keil 和 Jürgen Hauer 教授在实验室。 图片来源：Andreas Heddergott / TUM
在这项研究中，研究人员考察了叶绿素吸收光线的两个特定光谱段：低能量 Q 区（黄色至红色光谱范围）和高能量 B 区（蓝色至绿色光谱范围）。 Q 区由量子力学耦合的两种不同电子状态组成。 这种耦合导致了分子中的无损耗能量传输。 然后，系统通过"冷却"（即以热量的形式释放能量）弛豫。 这项研究表明，量子力学效应可对生物相关过程产生决定性影响。
编译自/ScitechDaily