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Primeiras Observação e Caracterização do Fenômeno Físico Crítico Atrás da Fotossíntese

Published on May 10, 2010 at 8:25 PM

O futuro de energias solares verdes limpas pode bem articular-se nos cientistas que podem desembaraçar os mistérios da fotossíntese, o processo por que as plantas verdes convertem a luz solar na energia electroquímica.

Com tal fim, os pesquisadores com o Ministério de E.U. (DOE) do Laboratório Nacional do Lawrence Berkeley da Energia (Laboratório de Berkeley) e da Universidade Da California (UC), Berkeley gravaram a primeiras observação e caracterização de um fenômeno físico crítico atrás da fotossíntese conhecida como a complicação do quantum.

Mohan Sarovar (assentado) e (da esquerda) Akihito Ishizaki, Birgitta Whaley e Graham Fleming realizaram a primeiras observação e caracterização da complicação do quantum em um sistema biológico real. (Foto por Roy Kaltschmidt, Assuntos Oficiais do Laboratório de Berkeley)

As experiências Precedentes conduziram por Graham Fleming, um químico físico que guardara nomeações comum com Laboratório de Berkeley e Uc Berkeley, aguçado aos efeitos mecânicos do quantum como a chave à capacidade de plantas verdes, com a fotossíntese, para transferir quase instantaneamente a energia solar das moléculas na luz que colhe complexos às moléculas na reacção electroquímica se centra. Uma equipe colaboradora nova que incluísse Fleming tem identificado Agora a complicação como uma característica natural destes efeitos de quantum. Quando dois quantum-fizeram sob medida partículas, por exemplo um par de elétrons, “é complicado,” qualquer mudança a uma será reflectido imediatamente na outro, não importa como afastadas pôde ser. Embora separadas fisicamente, as duas partículas actuam como uma única entidade.

“Este é o primeiro estudo para mostrar que complicação, talvez a propriedade a mais distintiva de sistemas mecânicos do quantum, esta presente através de uma luz inteira que colhe o complexo,” diz Mohan Sarovar, um pesquisador cargo-doutoral sob o professor Birgitta Whaley da química de Uc Berkeley no Centro de Berkeley para a Informação e a Computação do Quantum. “Quando houver umas investigações prévias da complicação nos sistemas do brinquedo que eram motivado pela biologia, este é o primeiro exemplo em que a complicação foi examinada e determinada em um sistema biológico real.”

Os resultados deste estudo guardaram implicações não somente para a revelação de sistemas artificiais da fotossíntese como uma fonte renovável não-poluir de energia elétrica, mas igualmente para a revelação futura de tecnologias quantum-baseadas nas áreas tais como a computação - um computador do quantum poderia executar determinados milhares das operações de épocas mais rapidamente do que todo o computador convencional.

“As lições que nós estamos aprendendo sobre os aspectos do quantum da luz que colhem em sistemas naturais podem ser aplicadas ao projecto dos sistemas fotossintéticos artificiais que são mesmo melhores,” Sarovar dizem. “As estruturas orgânicas na luz que colhe complexos e suas indicações sintéticas poderiam igualmente servir como componentes úteis de computadores do quantum ou outro quantum-aumentaram dispositivos, tais como fios para transferência de informação.”

O Que pode provar ser a revelação a mais significativa deste estudo é aquele contrário à noção científica popular que a complicação é uma propriedade frágil e exótica, difícil projectar e manter, os pesquisadores de Berkeley demonstraram que a complicação pode existir e persistir na complexidade química caótica de um sistema biológico.

“Nós apresentamos o forte evidência para a complicação do quantum em sistemas ruidosos do desequilíbrio em altas temperaturas determinando os calendários e as temperaturas para que a complicação é perceptível em uma estrutura da proteína que seja central à fotossíntese em determinadas bactérias,” Sarovar diz.

Sarovar é um co-autor com Fleming e Whaley de um papel que descreve esta pesquisa que aparece em linha na complicação intitulada Física Quantum da Natureza do jornal do “em complexos decolheita fotossintéticos.” Igualmente co-ser o autor deste papel era Akihito Ishizaki no grupo de investigação de Fleming.

As plantas Verdes e determinadas bactérias podem transferir a energia colhida da luz solar através de uma rede da luz que colhe complexos da pigmento-proteína e em centros da reacção com quase 100 por cento de eficiência. A Velocidade é a chave - transferência da energia solar ocorre tão rapidamente que pouca energia está desperdiçada como o calor. Em 2007, Fleming e seu grupo de investigação relataram a primeira evidência directa que esta transferência de energia essencialmente instantânea estêve tornada possível por uma coerência eletrônica notàvel duradouro, wavelike do quantum.

Usando as medidas eletrônicas da espectroscopia feitas em uma tempo-escala do femtosegundo (milhonésimos de um bilionésimos de um segundo), Fleming e seu grupo descobriram a existência do “dos sinais batendo quantum”, oscilações eletrônicas coerentes em moléculas do doador e do autómato. Estas oscilações estão geradas pela energia de excitação dos fotão solares capturados, como as ondas formadas quando as pedras são lanç em uma lagoa. A qualidade wavelike das oscilações permite-as de provar simultaneamente todos os caminhos de transferência de energia potencial no sistema fotossintético e de escolher o mais eficiente. Os estudos Subseqüentes por Fleming e por seu grupo identificaram um complexo pròxima embalado da pigmento-proteína na parcela de colheita clara do sistema fotossintético como a fonte de oscilações coerentes.

“Nossos resultados sugeriram que os ambientes correlacionados da proteína que cercam moléculas do pigmento (tais como a clorofila) preservassem a coerência do quantum em complexos fotossintéticos, permitindo que a energia de excitação se mova coerente no espaço, que permite por sua vez a energia altamente eficiente que colhe e que prende na fotossíntese,” Fleming dizem.

Neste estudo novo, um modelo seguro da luz que colhe a dinâmica desenvolvida por Ishizaki e por Fleming foi combinado com a pesquisa da informação do quantum de Whaley e de Sarovar para mostrar que a complicação do quantum emerge enquanto a coerência do quantum em sistemas da fotossíntese evolui. O foco de seu estudo era a proteína (FMO) decolheita fotossintética de Fenna-Matthews-Olson, um complexo molecular encontrado nas bactérias verdes do enxofre que fosse considerado um sistema modelo para estudar transferência de energia fotossintética porque consiste em somente sete moléculas do pigmento cuja a química foi caracterizada bem.

“Nós encontramos a evidência numérica para a existência da complicação no complexo do FMO que persistiu sobre calendários do picosegundo, essencialmente até que a energia de excitação estêve prendida pelo centro da reacção,” Sarovar dizemos.

“Isto é notável em um sistema biológico ou desorganizado em temperaturas fisiológicos, e ilustra que a complicação multipartite do desequilíbrio pode existir por relativamente muitos tempos, mesmo em ambientes altamente decoherent.”

A equipa de investigação igualmente encontrou que a complicação persistiu através das distâncias de aproximadamente 30 ångströms (um ångström é o diâmetro de um átomo de hidrogênio), mas esta comprimento-escala foi vista como um produto do tamanho relativamente pequeno do complexo do FMO, um pouco do que uma limitação do efeito própria.

“Nós esperamos que duradouro, a complicação do desequilíbrio igualmente esta presente na luz maior que colhe complexos da antena, tais como LH1 e LH2, e que em tal luz maior que colhe complexos pode igualmente ser possível criar e apoiar excitações múltiplas a fim alcançar uma variedade mais rica de estados complicados,” diz Sarovar.

A equipa de investigação foi surpreendida ver que a complicação significativa persistiu entre as moléculas na luz que colhe o complexo que não foram acopladas fortemente (conectado) através de seus estados eletrônicos e vibracionais. Foram surpreendidos igualmente ver como pouca temperatura do impacto teve no grau de complicação.

“No campo da informação do quantum, temperatura é considerado geralmente muito deletério às propriedades do quantum tais como a complicação,” Sarovar diz. “Mas nos sistemas tais como a luz que colhe complexos, nós vemos que a complicação pode ser relativamente imune aos efeitos da temperatura aumentada.”

Esta pesquisa foi apoiada na parte pelo Ministério de E.U. do Escritório da Energia da Ciência, e na parte por uma concessão do Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).

Last Update: 12. January 2012 21:36

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