Mekanika kuantum berperan dalam proses fotosintesis.
Insinyur telah lama mencari cara yang efisien untuk mengubah energi matahari menjadi energi kimia yang dapat disimpan. Alam menyempurnakan proses ini miliaran tahun yang lalu. Sebuah studi baru mengungkapkan bahwa mekanika kuantum, yang sering dikaitkan dengan fisika, juga memainkan peran penting dalam sistem biologis.
Organisme fotosintesis seperti tanaman hijau menggunakan proses mekanis kuantum untuk memanfaatkan energi matahari, seperti yang dijelaskan Prof. Jürgen Hauer: “Ketika cahaya diserap dalam daun, misalnya, energi eksitasi elektronik didistribusikan pada beberapa keadaan dari setiap molekul klorofil tereksitasi; Ini disebut superposisi keadaan tereksitasi. Ini adalah tahap pertama dari transfer energi yang hampir bebas kerugian di dalam dan di antara molekul dan membuat transportasi energi matahari yang efisien menjadi mungkin. Oleh karena itu mekanika kuantum adalah pusat untuk memahami langkah -langkah pertama transfer energi dan pemisahan muatan. ”
Proses ini, yang tidak dapat dipahami dengan memuaskan oleh fisika klasik saja, terjadi terus -menerus pada tanaman hijau dan organisme fotosintesis lainnya, seperti bakteri fotosintesis. Namun, mekanisme yang tepat masih belum sepenuhnya dijelaskan.
Implikasi untuk fotosintesis buatan
Hauer dan penulis pertama Erika Keil melihat studi mereka sebagai dasar baru yang penting dalam upaya untuk mengklarifikasi bagaimana klorofil, pigmen dalam daun hijau, bekerja. Menerapkan temuan ini dalam desain unit fotosintesis buatan dapat membantu memanfaatkan energi matahari dengan efisiensi yang belum pernah terjadi sebelumnya untuk pembangkit listrik atau fotokimia.
Untuk penelitian ini, para peneliti memeriksa dua bagian spesifik dari spektrum di mana klorofil menyerap cahaya: wilayah Q rendah energi (rentang spektral kuning ke merah) dan wilayah B energi tinggi (biru ke hijau). Wilayah Q terdiri dari dua keadaan elektronik yang berbeda yang secara mekanis digabungkan. Kopling ini menyebabkan transportasi energi bebas kerugian dalam molekul. Sistem kemudian rileks melalui “pendinginan”, yaitu dengan melepaskan energi dalam bentuk panas. Studi ini menunjukkan bahwa efek mekanik kuantum dapat memiliki pengaruh yang menentukan pada proses yang relevan secara biologis.
Reference: “Reassessing the role and lifetime of Qx in the energy transfer dynamics of chlorophyll a” by Erika Keil, Ajeet Kumar, Lena Bäuml, Sebastian Reiter, Erling Thyrhaug, Simone Moser, Christopher DP Duffy, Regina de Vivie-Riedle and Jürgen Hauer, 27 November 2024, Ilmu Kimia.
Doi: 10.1039/d4sc06441k
