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Prime Osservazione e Caratterizzazione del Fenomeno Fisico Critico Dietro Fotosintesi

Published on May 10, 2010 at 8:25 PM

Il futuro di energia solare verde pulita può munire di cardini bene gli scienziati che possono disfare i misteri della fotosintesi, il trattamento tramite cui le piante verdi convertono la luce solare in energia elettrochimica.

A questo scopo, i ricercatori con il Dipartimento Per L'Energia di Stati Uniti (DOE) il Laboratorio Nazionale del Lawrence Berkeley (Laboratorio di Berkeley) e l'Università di California (UC), Berkeley hanno registrato la prime osservazione e caratterizzazione di un fenomeno fisico critico dietro la fotosintesi conosciuta come l'intrico di quantum.

Mohan Sarovar (messo) e (da sinistra) Akihito Ishizaki, Birgitta Whaley e Graham Fleming hanno effettuato la prime osservazione e caratterizzazione dell'intrico di quantum in un sistema biologico reale. (Foto da Roy Kaltschmidt, Affari Pubblici del Laboratorio di Berkeley)

Esperimenti Precedenti piombo da Graham Fleming, dalle nomine di fisico medica del chimico di una giuntura della tenuta con il Laboratorio di Berkeley e da Uc Berkeley, indicato gli effetti meccanici di quantum come il tasto alla capacità delle piante verdi, con la fotosintesi, di trasferire quasi istantaneamente l'energia solare dalle molecole all'indicatore luminoso che raccoglie i complessi alle molecole nella reazione elettrochimica concentra. Ora un nuovo gruppo di collaborazione che include Fleming ha identificato l'intrico come funzionalità naturale di questi effetti di quantum. Quando due particelle quantum di taglia, per esempio un paio degli elettroni, “sono impigliate,„ qualunque cambiamento ad uno immediatamente sarà riflesso nell'altro, non importa come distanti potrebbero essere. Sebbene separate fisicamente, le due particelle fungano da singola entità.

“Questo è il primo studio per indicare che intrico, forse i beni più distintivi dei sistemi meccanici di quantum, sono presenti attraverso un intero indicatore luminoso che raccoglie il complesso,„ dice Mohan Sarovar, un ricercatore post-dottorato sotto il professor Birgitta Whaley di chimica di Uc Berkeley al Centro di Berkeley per Informazioni ed il Calcolo di Quantum. “Mentre ci sono stati indagini priori sull'intrico nei sistemi del giocattolo che sono stati motivati da biologia, questa è la prima istanza in cui l'intrico è stato esaminato e quantificato stato in un sistema biologico reale.„

I risultati di questo studio tengono le implicazioni non solo per lo sviluppo dei sistemi artificiali della fotosintesi come sorgente rinnovabile di non inquinamento di energia elettrica, ma anche per lo sviluppo futuro alle delle tecnologie basate a quantum nelle aree come computazione - un computer di quantum potrebbe eseguire determinate migliaia delle operazioni di periodi più velocemente di tutto il computer convenzionale.

“Le lezioni che stiamo imparando circa gli aspetti di quantum di indicatore luminoso che raccolgono nei sistemi naturali possono applicarsi alla progettazione dei sistemi fotosintetici artificiali che sono ancora migliori,„ Sarovar dice. “Le strutture organiche all'indicatore luminoso che raccoglie i complessi ed i loro mimi sintetici potrebbero anche servire da componenti utili dei computer di quantum o altra quantum-ha migliorato le unità, quali i collegare per il trasferimento di informazioni.„

Che Cosa può risultare essere la rivelazione più significativa di questo studio è quello contrario alla nozione scientifica popolare che l'intrico è i beni fragili ed instabili, difficili costruire e mantenere, i ricercatori di Berkeley hanno dimostrato che l'intrico può esistere e persistere nella complessità chimica caotica di un sistema biologico.

“Presentiamo la prova ben fondata per l'intrico di quantum nei sistemi rumorosi di non equilibrio alle temperature elevate determinando le scale cronologiche e temperature per cui l'intrico è osservabile in una struttura della proteina che è centrale alla fotosintesi in batteri sicuri,„ Sarovar dice.

Sarovar è un co-author con Fleming e Whaley di un documento che descrive questa ricerca che compare online nell'intrico di Quantum nominato Fisica della Natura del giornale “nei complessi di raccolta fotosintetici.„ Inoltre co-creare questo documento era Akihito Ishizaki nel gruppo di ricerca di Fleming.

Le piante Verdi ed i batteri sicuri possono trasferire l'energia raccolta da luce solare attraverso una rete di indicatore luminoso che raccoglie i complessi della pigmento-proteina e nei centri della reazione con quasi 100 per cento di risparmio di temi. La Velocità è il tasto - il trasferimento dell'energia solare ha luogo così velocemente che poca energia è sprecata come calore. Nel 2007, Fleming ed il suo gruppo di ricerca hanno riferito la prima prova diretta che questo trasferimento di energia essenzialmente istantaneo è stato permesso da una coerenza elettronica notevolmente longeva e ondulata di quantum.

Facendo Uso delle misure elettroniche della spettroscopia effettuate su un femtosecondo (millionths di un bilionesimi di un secondo) della scala del tempo, Fleming ed il suo gruppo hanno scoperto l'esistenza “dei segnali battenti di quantum„, oscillazioni elettroniche coerenti in sia molecole del ricettore che del donatore. Queste oscillazioni sono generate dall'energia di eccitazione proveniente dai fotoni solari catturati, come le onde formate quando le pietre sono lanciate in uno stagno. La qualità ondulata delle oscillazioni permette loro di campionare simultaneamente tutte le vie di trasferimento di energia potenziale nel sistema fotosintetico e di scegliere il più efficiente. Gli studi Successivi da Fleming e dal suo gruppo hanno identificato un complesso molto attentamente imballato della pigmento-proteina nella parte di raccolta leggera del sistema fotosintetico come la sorgente delle oscillazioni coerenti.

“I Nostri risultati hanno indicato che gli ambienti correlati della proteina che circondano le molecole del pigmento (quale clorofilla) conservano la coerenza di quantum nei complessi fotosintetici, permettendo che l'energia di eccitazione si muova coerentemente nello spazio, che a sua volta permette all'energia altamente efficiente che raccoglie e che intrappola nella fotosintesi,„ Fleming dice.

In questo nuovo studio, un modello affidabile di indicatore luminoso che raccoglie la dinamica sviluppata da Ishizaki e da Fleming si è combinato con la ricerca di informazioni di quantum di Whaley e di Sarovar per indicare che l'intrico di quantum emerge mentre la coerenza di quantum nei sistemi della fotosintesi si evolve. Il fuoco del loro studio era la proteina (FMO) di raccolta fotosintetica di Fenna-Matthews-Olson, un complesso molecolare trovato nei batteri verdi dello zolfo che è considerato un sistema-modello per lo studio del trasferimento di energia fotosintetico perché consiste di soltanto sette molecole del pigmento di cui la chimica è stata caratterizzata bene.

“Abbiamo trovato la prova numerica per l'esistenza dell'intrico nel complesso dell'OFM che ha persistito sopra le scale cronologiche di picosecondo, essenzialmente fino a bloccare l'energia di eccitazione dal centro della reazione,„ Sarovar diciamo.

“Questo è notevole in un sistema biologico o disordinato alle temperature fisiologiche ed illustra che l'intrico multipartite di non equilibrio può esistere per i periodi relativamente molti, anche negli ambienti altamente decoherent.„

Il gruppo di ricerca egualmente ha trovato che l'intrico ha persistito attraverso le distanze di circa 30 angstrom (un angstrom è il diametro di un atomo di idrogeno), ma questo lunghezza-disgaggio è stato osservato come prodotto relativamente del di piccola dimensione del complesso dell'OFM, piuttosto che una limitazione dell'effetto stessa.

“Prevediamo che longevo, l'intrico di non equilibrio egualmente sia presente al più grande indicatore luminoso che raccoglie i complessi dell'antenna, quali LH1 e LH2 e che a tale più grande indicatore luminoso che raccoglie i complessi può anche essere possibile creare e supportare le eccitazioni multiple per accedere ad una varietà più ricca di stati impigliati,„ dice Sarovar.

Il gruppo di ricerca è stato sorpreso vedere che l'intrico significativo ha persistito fra le molecole nell'indicatore luminoso che raccoglie il complesso che non sono state accoppiate forte (connesso) attraverso i loro stati elettronici e vibratorii. Egualmente sono stati sorpresi vedere come poca temperatura di impatto ha avuta sul grado di intrico.

“Nel campo di informazioni di quantum, la temperatura solitamente è considerato molto deleterio ai beni di quantum quale l'intrico,„ Sarovar dice. “Ma nei sistemi quale indicatore luminoso che raccoglie i complessi, vediamo che l'intrico può essere relativamente immune agli effetti della temperatura aumentata.„

Questa ricerca è stata supportata in parte dal Dipartimento Per L'Energia di Stati Uniti l'Ufficio Di Scienza ed in parte da una concessione dal Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).

Last Update: 12. January 2012 22:05

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