Site Sponsors
  • Strem Chemicals - Nanomaterials for R&D
  • Park Systems - Manufacturer of a complete range of AFM solutions
  • Oxford Instruments Nanoanalysis - X-Max Large Area Analytical EDS SDD

Eerste Observatie en karakterisatie van Critical Physical Phenomenon Achter Fotosynthese

Published on May 10, 2010 at 8:25 PM

De toekomst van schone groene zonne-energie kan goed afhangen van wetenschappers in staat om de mysteries van fotosynthese, het proces waarbij groene planten zonlicht omzetten in elektrochemische energie te ontrafelen.

Te dien einde onderzoekers met de US Department of Energy (DOE) 's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hebben en de Universiteit van Californië (UC), Berkeley opgenomen de eerste waarneming en karakterisering van een kritische fysisch verschijnsel achter fotosynthese bekend staat als quantum entanglement.

Mohan Sarovar (zittend) en (vanaf links) Akihito Ishizaki, Birgitta Whaley en Graham Fleming voerde de eerste waarneming en karakterisering van quantum entanglement in een echte biologisch systeem. (Foto: Roy Kaltschmidt, Berkeley Lab Public Affairs)

Eerdere experimenten onder leiding van Graham Fleming, een fysisch chemicus holding gezamenlijke afspraken met Berkeley Lab en UC Berkeley, wees op kwantummechanische effecten als de sleutel tot het vermogen van groene planten, door middel van fotosynthese, zonne-energie vrijwel onmiddellijk overdracht van moleculen in het light-harvesting complexen om moleculen in elektrochemische reactie centra. Nu een nieuwe samenwerkend team dat bestaat uit Fleming hebben geïdentificeerd verstrengeling als een natuurlijke eigenschap van deze quantum-effecten. Wanneer twee quantum-deeltjes, bijvoorbeeld een paar elektronen, zijn "verstrikt", elke wijziging in een zal direct worden weerspiegeld in de andere, ongeacht hoe ver ze zouden kunnen worden. Hoewel fysiek gescheiden, de twee deeltjes fungeren als een enkele entiteit.

"Dit is de eerste studie om die verstrengeling, misschien wel de meest opvallende eigenschap van quantum mechanische systemen, is aanwezig voor een heel light-harvesting complex zien", zegt Mohan Sarovar, een post-doctoraal onderzoeker in het kader UC Berkeley professor chemie Birgitta Whaley aan de Berkeley Centrum voor Quantum Information and Computation. "Hoewel er voorafgaand onderzoek van verstrengeling in speelgoed systemen die waren ingegeven door de biologie, is dit de eerste instantie in die verstrengeling is onderzocht en gekwantificeerd in een echte biologische systeem."

De resultaten van dit onderzoek houdt niet alleen gevolgen voor de ontwikkeling van kunstmatige fotosynthese systemen als een hernieuwbare niet-vervuilende bron van elektrische energie, maar ook voor de toekomstige ontwikkeling van de quantum-gebaseerde technologieën op gebieden als computing - een quantum computer kan uitvoeren van bepaalde operaties duizenden malen sneller dan een conventionele computer.

"De lessen die we nu leren over de quantum aspecten van light-harvesting in natuurlijke systemen kunnen worden toegepast op het ontwerp van kunstmatige fotosynthetische systemen die nog beter," Sarovar zegt. "De organische structuren in light-harvesting complexen en hun synthetische bootst zou ook kunnen dienen als nuttige onderdelen van quantum computers of andere quantum-verbeterde apparaten, zoals draden voor de overdracht van informatie."

Wat kan blijken te zijn van deze studie de belangrijkste onthulling is dat in tegenstelling tot de populair-wetenschappelijke opvatting dat verstrengeling is een fragiele en exotische goederen, moeilijk te ingenieur en te behouden, hebben de Berkeley onderzoekers toonden aan dat verstrengeling kan bestaan ​​en volharden in de chaotische chemische complexiteit van de een biologisch systeem.

"We presenteren een sterk bewijs voor quantum entanglement in lawaaierige niet-evenwichts systemen bij hoge temperaturen door het bepalen van de termijnen en temperaturen die verstrengeling is waarneembaar in een eiwit structuur die centraal staat in de fotosynthese in bepaalde bacteriën," Sarovar zegt.

Sarovar is een co-auteur met Fleming en Whaley van een paper beschrijft dit onderzoek dat on-line verschijnt in het tijdschrift Nature Physics met de titel "Quantum entanglement in fotosynthetische light-harvesting complexen." Ook co-authoring dit papier was Akihito Ishizaki in het onderzoek Fleming's groep.

Groene planten en sommige bacteriën zijn in staat om de energie geoogst van zonlicht door een netwerk van light-harvesting pigment-eiwitcomplexen en in reactie centra met bijna 100 procent efficiëntie overdracht. Snelheid is de sleutel - de overdracht van de zonne-energie vindt plaats zo snel dat weinig energie verloren gaat als warmte. In 2007, Fleming en zijn onderzoeksgroep rapporteerde het eerste directe bewijs dat deze in wezen onmiddellijk op energie-overdracht mogelijk werd gemaakt door een opvallend lange levensduur, golvende elektronische quantum coherentie.

Met behulp van elektronische spectroscopie metingen gedaan op een femtoseconde (een miljoenste van een miljardste van een seconde) tijd-schaal, Fleming en zijn groep ontdekte het bestaan ​​van "quantum slaan" signalen, coherent elektronische oscillaties in zowel de donor-en acceptor moleculen. Deze trillingen worden gegenereerd door de excitatie-energie van opgevangen zonne-energie fotonen, net als de golven gevormd wanneer stenen zijn gegooid in een vijver. De golvende kwaliteit van de oscillaties stelt hen in staat om gelijktijdig alle mogelijke energie-overdracht wegen monster in het fotosynthetische systeem en de meest efficiënte te kiezen. Latere studies van Fleming en zijn groep identificeerde een dicht op elkaar gepakte pigment-eiwitcomplex in het light-harvesting deel van het fotosynthetisch systeem als de bron van coherente oscillaties.

"Onze resultaten suggereren dat gecorreleerd eiwit omgevingen rond pigment moleculen (zoals chlorofyl) quantum samenhang te bewaren in fotosynthetische complexen, waardoor de excitatie-energie op coherente bewegen in de ruimte, die op hun beurt in staat stelt zeer efficiënte energie oogsten en de vangst bij de fotosynthese," zegt Fleming.

In deze nieuwe studie werd een betrouwbaar model van de light-harvesting dynamiek ontwikkeld door Ishizaki en Fleming, gecombineerd met de quantum informatie onderzoek van Whaley en Sarovar aan te tonen dat quantum entanglement naar voren als de quantum coherentie in de fotosynthese systemen evolueert. De focus van hun studie was het Fenna-Matthews-Olson (FMO) fotosynthetische light-harvesting eiwit, een moleculair complex gevonden in groene zwavel bacteriën die wordt beschouwd als een modelsysteem voor de bestudering van fotosynthese energie-overdracht, omdat het bestaat uit slechts zeven pigment moleculen waarvan de chemie is goed gekarakteriseerd.

"Wij vonden numerieke bewijs voor het bestaan ​​van verstrikking in de FMO-complex, dat bleef bestaan ​​meer dan picoseconde tijdschalen, in wezen tot de excitatie-energie is gevangen door de reactie centrum" Sarovar zegt.

"Dit is opmerkelijk in een biologische of wanordelijke systeem fysiologische temperaturen, en illustreert dat niet-evenwichts meerdelige verstrikking kan bestaan ​​voor relatief lange tijd, zelfs in zeer decoherent omgevingen."

Het onderzoeksteam vond ook dat verstrengeling bleef bestaan ​​over afstanden van ongeveer 30 Angstrom (een ångström is de diameter van een waterstofatoom), maar deze lengte-schaal werd gezien als een product van de relatief kleine omvang van de FMO complex, in plaats van een beperking van het effect zelf.

"We verwachten dat langlevende, niet-evenwichts verstrengeling zal ook aanwezig zijn in grotere light-harvesting antenne-complexen, zoals LH1 en LH2, en dat in dergelijke grotere light-harvesting complexen kan het ook mogelijk te maken en ondersteuning van meerdere excitaties in orde toegang tot een rijkere verscheidenheid van verstrengelde toestanden ", zegt Sarovar.

Het onderzoeksteam was verbaasd om te zien dat er aanzienlijke verstrengeling bleef tussen de moleculen in het light-harvesting complex, dat niet sterk waren (aangesloten), gekoppeld door middel van hun elektronische en vibrationele toestanden. Ze waren ook verrast om te zien hoe weinig invloed gehad op de temperatuur van de mate van verstrengeling.

"Op het gebied van quantum informatie, de temperatuur meestal als zeer schadelijk voor quantum eigenschappen zoals verstrengeling", Sarovar zegt. "Maar in systemen zoals light-harvesting complexen, zien we dat verstrengeling kan worden relatief immuun voor de effecten van verhoogde temperatuur."

Dit onderzoek werd mede ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie Bureau of Science, en deels door een subsidie ​​van het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).

Last Update: 5. October 2011 21:52

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit