Sblocco ingegneria quantistica della natura per un efficiente dell’energia solare

Quantum fotosintesi scala in sistemi biologici che abitano ambienti estremi potrebbe contenere la chiave per nuovi progetti per l’energia solare e dispositivi su scala nanometrica. Alcuni sistemi biologici che vivono in ambienti con scarsa illuminazione sono strutture proteiche uniche per la fotosintesi che utilizzano la dinamica quantistica per convertire il 100% di luce assorbita in carica elettrica, la visualizzazione di efficienza sorprendente che potrebbe portare a una nuova comprensione di energia solare rinnovabile, suggerisce la ricerca pubblicata oggi sulla rivista Nature Physics .

La ricerca risolve un mistero importante nel nuovo emergente settore della biologia quantistica – le origini e la longevità del quantum, proprietà ondulatorie che il trasporto di energia durante le prime fasi della fotosintesi, inaspettatamente fenomeni osservati in complessi molecolari estratto da una varietà di piante , alghe e batteri.

Nella fotosintesi, fotoni di luce assorbita dai pigmenti come la clorofilla creare eccitati stati molecolari, eccitoni, che trasportano energia sotto forma di onde quantiche attraverso reti di pigmenti tenuto da strutture proteiche – o pigmento-proteina complessi (PPC) – al centro di reazione di ogni PPC, dove l’energia del eccitone viene utilizzato per rilasciare elettroni necessari per la chimica fotosintetica. Prevenire la cattura o dissipazione di eccitoni durante questo viaggio è un problema fondamentale per la natura e l’uomo-made celle solari.

La ricerca di Cambridge Cavendish Laboratory studio che raccolgono la luce proteine in batteri Sulpher Verdi – che possono sopravvivere a profondità di oltre 2.000 metri sotto la superficie del mare – ha trovato un meccanismo in fotocopiatrici che aiuta a proteggere l’energia da dissipare durante il viaggio attraverso la struttura da parte effettivamente invertendo il flusso della parte dell’energia sfuggito – da reenergising di nuovo al livello eccitone attraverso vibrazioni molecolari.

Le fotocopiatrici, in questo caso Fenna-Matthews-Olson dei batteri complesso, in modo che ogni fotone assorbito fa al centro di reazione della struttura – cruciale per la sopravvivenza di un organismo in ambienti più inospitali del pianeta, dove la luce penetra poco.

“Una volta che la struttura dettagliata delle vibrazioni di proteine è stato incluso nelle nostre simulazioni, abbiamo scoperto che l’energia degli eccitoni non solo diminuisce continuamente come sono incanalati verso la loro posizione finale – qualcosa che si potrebbe aspettare in complesse condizioni termiche che si trovano in sistemi biologici , “ha detto il dottor Alex Chin, dal Programma Winton di Cambridge per la Fisica della Sostenibilità, che ha condotto la ricerca con il Prof. Martin Plenio, Prof. Susana Huelga, il dottor Felipe Caycedo-Soler e Robert Rosenbach presso l’Istituto di Fisica Teorica presso Universität Ulm in Germania e il dottor Javier preventiva presso l’Università di Cartagena.

“In effetti, la nostra ricerca suggerisce che questi fotocopiatrici naturali possono ottenere il trasferimento di energia ‘caldo e veloce’ – flussi di energia che impediscono il completo raffreddamento alla temperatura del loro ambiente – che è stato proposto come un modo per migliorare l’efficienza delle celle solari oltre i limiti attualmente in vigore dalla termodinamica.

” I ricercatori sostengono che l’eccezionale capacità di raccolta della luce di questi sistemi proteici è giù per intricati processi di trasporto di energia che non rientrano più “classici” della fisica, a seconda fortemente tropi della fisica quantistica – in primo luogo quello di ‘coerenza quantistica’.

Coerenza quantistica nella fotosintesi coinvolge energia, sotto forma di particelle simili a eccitoni, muove attraverso la struttura molecolare utilizzando canali contemporaneamente. Questa coerenza quantistica è di solito molto fragile e rapidamente distrutta da fluttuazioni casuali delle proteine che circondano – quindi l’osservazione di lunga durata coerenza fotocopiatrici è stata una sorpresa per molti ricercatori.

“Quantum coerenza sembra aumentare la velocità del flusso di energia tra molecole e impedendole di rimanere bloccati in trappole locali o difetti”, ha detto Chin, aggiungendo che “I nostri risultati forniscono una base microscopica per comprendere come la coerenza, centrale di queste teorie, è mantenuto in fotocopiatrici. Le conoscenze derivanti fornire una serie di indizi promettenti per quanto riguarda ciò che l’efficienza vantaggi coerenza quantistica potrebbe fornire a questi sistemi “.

“Alcuni dei temi chiave delle attuali tecnologie a celle solari sembrano essere stati risolti con eleganza e rigorosamente l’architettura molecolare di queste fotocopiatrici -. Vale a dire la rapida, trasferimento senza perdita di eccitoni di centri di reazione”

Come sottolinea Chin inoltre, stabilizzazione ‘coerenza quantistica’, in particolare a temperature ambiente – cosa i ricercatori hanno iniziato ad esplorare – è un obiettivo importante per le tecnologie future quantum-based, da avanzate celle solari ai computer quantistici e delle nanotecnologie.

“Questi sistemi biologici possono indirizzare un processo quantistico, in questo caso, trasporto di energia, in modo sorprendentemente sottile e controllata – mostrando notevole resistenza alla aggressivo, rumore di fondo casuale di biologia e ambienti estremi .

“Questa nuova comprensione di come mantenere la coerenza in eccitoni , e persino rigenerare attraverso le vibrazioni molecolari, offre un affascinante sguardo le soluzioni progettuali complesse – apparentemente compresa l’ingegneria quantistica – che la natura ha prodotto attraverso l’evoluzione, e che potrebbe fornire l’ispirazione per il nuovo tipi di dispositivi quantistici a temperatura ambiente. “

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