В лаборатории ученые удивляются странному состоянию, которое возникает, когда они охлаждают атомы почти до абсолютного нуля. А за окном деревья собирают солнечный свет и превращают его в новые листья. Эти два явления кажутся несвязанными, но новое исследование Чикагского университета предполагает, что эти процессы не так уж отличаются, как может показаться на первый взгляд.
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 профессора 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 и стать основой для разработки будущих технологий.
В частности, профессор Мацциотти и соавторы исследования Анна Шоутен и ЛиЭнн Сагер-Смит моделировали то, что происходит на молекулярном уровне, когда происходит фотосинтез.
Когда солнечный фотон попадает на лист, он вызывает изменения в специально разработанной молекуле. Энергия выбивает электрон. Он 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 команда посмотрела с высоты птичьего полета и смоделировала, как движутся несколько экситонов, она заметила кое-что странное. Ученые увидели узоры на путях экситонов, которые выглядели удивительно знакомыми.
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. Это 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 Анной Шоутен, ЛиЭнн Сагер-Смит и профессором Мацциотти, экситоны в листе могут иногда соединяться таким образом, как ведет себя экситонный конденсат.
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», объяснила Анна Шоутен.
По словам ученых, этот эффект не тотальный, он больше похож на образование «островков» конденсата. «Но этого все еще достаточно, чтобы улучшить передачу энергии в системе», сказала ЛиЭнн Сагер-Смит. Фактически, их модели предполагают, что это может удвоить эффективность.
По словам профессора Мацциотти, это открывает 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».
Профессор Мацциотти сказал, что открытие играет роль в более широком подходе, который его команда изучает уже десять лет.
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, чтобы справиться с ними. Но профессор Мацциотти считает, что некоторые части необходимо оставить: «Мы считаем, что локальная корреляция электронов необходима для понимания того, как на самом деле работает природа».
