Какая связь может быть между охлаждением атомов до температуры почти абсолютного нуля и фотосинтезом растений? На первый взгляд кажется, что никакой связи нет, эти два явления кажутся несвязанными, но новое исследование предполагает, что они не так уж отличаются, как может показаться сначала.
Исследование, опубликованное в журнале PRX Energy, обнаружило связи на атомном уровне между фотосинтезом и экситонными конденсатами — странным физическим состоянием, которое позволяет энергии течь без трения через материал. По словам авторов, это открытие интересно с научной точки зрения и может предложить новые подходы к проектированию электроники.
«Насколько нам известно, эти области никогда раньше не были связаны друг с другом, поэтому мы нашли это очень убедительным и захватывающим», — сказал соавтор исследования профессор Дэвид Мацциотти.
Лаборатория Мацциотти специализируется на моделировании сложных взаимодействий атомов и молекул, поскольку они проявляют интересные свойства.
Невозможно увидеть эти взаимодействия невооруженным глазом, поэтому компьютерное моделирование может дать ученым представление о том, почему происходит такое поведение, а также может стать основой для разработки будущих технологий.
В частности, ученые смоделировали то, что происходит на молекулярном уровне при фотосинтезе.
Когда солнечный фотон попадает на лист, он вызывает изменения в специальной молекуле. Энергия выбивает электрон. Электрон и «дыра», где он когда-то был, теперь могут перемещаться по листу, перенося энергию солнца в другую область, где она запускает химическую реакцию для производства сахара для растения.
Вместе эта путешествующая пара электронов и дырок называется «экситоном». Когда ученые посмотрели и смоделировали, как движутся несколько экситонов, они заметили кое-что странное. Они увидели узоры на путях экситонов, которые выглядели удивительно знакомыми.
На самом деле, это было очень похоже на поведение материала, известного как конденсат Бозе-Эйнштейна, который иногда называют «пятым состоянием материи».
В этом материале экситоны могут соединяться в одно и то же квантовое состояние — что-то вроде набора колоколов, звонящих идеально в унисон. Оно позволяет энергии перемещаться по материалу с нулевым трением. (Такое странное поведение интригует ученых, потому что может стать основой для замечательных технологий — например, похожее состояние, называемое сверхпроводимостью, лежит в основе аппаратов МРТ).
Согласно моделям, созданным исследователями, экситоны в листе могут иногда соединяться таким образом, как ведут себя экситонный конденсат.
И это был огромный сюрприз. Экситонные конденсаты наблюдались только при охлаждении материала значительно ниже комнатной температуры. Это похоже на то, как если бы в чашке горячего кофе образовались кубики льда.
«Фотосинтетический сбор света происходит в системе, находящейся при комнатной температуре, и, более того, ее структура неупорядочена — в отличие от нетронутых кристаллизованных материалов и низких температур, которые используются для получения экситонного конденсата», — говорят ученые.
По их словам, такой эффект не всеобщий — он больше похож на образование «островков» конденсата. Но их все еще достаточно, чтобы улучшить передачу энергии в системе. Фактически, модели предполагают, что можно удвоить эффективность.
По словам ученых, это открываются новые возможности для создания синтетических материалов для технологий будущего. «Идеальный экситонный конденсат чувствителен и требует множества особых условий, но для реальных приложений интересно увидеть что-то, что повышает эффективность, но может происходить в условиях окружающей среды».
Взаимодействия между атомами и молекулами в таких процессах, как фотосинтез, невероятно сложны — с ними трудно справиться даже суперкомпьютеру, — поэтому ученым традиционно приходилось упрощать свои модели. Но Дэвид Мацциотти считает, что некоторые части необходимо оставить: «Мы считаем, что локальная корреляция электронов необходима для понимания того, как на самом деле работает природа».