Fotosintezė ir Bozė-Einšteino kondensatas: netikėtas gyvybės ir materijos sąryšis

Čikagos universiteto mokslininkai nustatė netikėtą sąryšį tarp fotosintezės proceso ir Bozė-Einšteino kondensato — egzotiškos materijos būsenos, kai energija perduodama be nuostolių. Šis atradimas gali būti svarbus, kuriant naujus elektroninius prietaisus. Tai aprašoma PRX Energy žurnale.

Fotosintezė — procesas, kuriuo augalai sugeria šviesą ir jos energiją užrakina organiniuose junginiuose. Į augalo lapą patekęs fotonas sugeria specialios molekulės pokyčius. Energija išlaisvina elektroną, kuris gali judėti lape, pernešdamas saulės energiją į kitas sritis, kur ji paleidžia cukrų sintezę augalui.

Elektronas ir jo vietoje likusi „skylutė“, sudaro porą, kuri sudaro porą, vadinamą „eksitoną“. Modeliuodami daugybės eksitonų judėjimą lapu, mokslininkai pastebėjo neįprastą reiškinį. Jie išvydo, kad eksitonų judėjimo trajektorijos labai panašios į Bozė-Einšteino kondensato. Jis kartais vadinamas „penktąja materijos būsena“. Šioje medžiagoje eksitonai gali sinchronizuotis vienoje kvantinėje būsenoje — lyg varpų rinkinys skambėtų idealiu unisonu. Taip sudaromos sąlygos energijai medžiaga keliauti be nuostolių. (Tokie keisti reiškiniai domina mokslininkus, nes jie gali tapti nuostabių technologijų užuomazgomis — pavyzdžiui, panašia būsena, superlaidumu, paremtas magnetinio rezonanso tomografijos mašinų veikimas).

Pasak tyrimo autorių, eksitonai lape kartais gali susisieti taip pat, kaip Bozė-Einšteino kondensate.

Tai buvo visiškai netikėta. Įprastai Bozė-Einšteino kondensatai stebimi tik labai žemoje temperatūroje, artimoje absoliučiam nuliui. Tai būtų tas pats, lyg išvysti karštos kavos puodelyje susidarant ledo kubelius.

„Fotosintetinantis šviesos sugėrimas vyksta kambario temperatūros sistemoje, kurios struktūra netvarkinga — labai besiskiriančią nuo idealių kristalinių medžiagų ir žemų temperatūrų, naudojamų kurti Bozė-Einšteino kondensatus,“ — paaiškino viena iš straipsnio bendraautorių, Anna O. Schouten.

Šis efektas nėra visiškas — tai veikiau kondensatų „salelės“, pažymėjo mokslininkai. „Taiau to pakanka sustiprinti energijos perdavimą sistemoje“, — pridūrė kita straipsnio bendraautorė LeeAnn M. Sager-Smith. Jos skaičiavimais, tai gali efektyvumą padvigubinti.

Tyrimas atveria naujas sintetinių medžiagų kūrimo galimybes, sakė profesorius David A. Mazziotti, trečiasis straipsnio bendraautorius. „Idealus Bozė-Einšteino kondensatas yra jautrus ir jam būtina sudaryti daugybę specialių sąlygų, tačiau realiam taikymui įdomu stebėti tai, kas padidina efektyvumą ir gali vykti įprastomis sąlygomis“.

Mazziotti dar pažymėjo, kad šis atradimas yra dalis platesnio tyrimo, kurį jo komanda atlieka jau dešimtmetį.

Atomų ir molekulių sąveika tokiuose procesuose, kaip fotosintezė, neįtikėtinai sudėtingi — netgi superkompiuteriui — todėl mokslininkai, kad juos suprastų, įprastai turi paprastinti savo modelius. Tačiau Mazziotti mano, kad kai kurias dalis palikti būtina: „Mes manome, kad norint pademonstruoti, kaip iš tiesų veikia gamta, lokali elektronų koreliacija būtina“.

Alexander Antipov
www.securitylab.ru

Šaltinis: „Exciton-Condensate-Like Amplification of Energy Transport in Light Harvesting“ by Anna O. Schouten, LeeAnn M. Sager-Smith and David A. Mazziotti, 28 April 2023, PRX Energy. DOI: 10.1103/PRXEnergy.2.023002