Fotosintesis menggunakan proses yang sangat mirip dengan kondensor Bose-Einstein

Anda mungkin berpikir bahwa mengingat betapa mendasar dan ada di mana-mana fotosintesis, kita sudah lama mengetahui cara kerjanya. Sebaliknya, bagian utama dari proses tersebut tetap menjadi misteri. Penelitian baru menunjukkan bahwa salah satu fase ini memiliki kemiripan yang mencolok dengan kapasitor exciton, sesuatu yang fisikawan harus berusaha keras untuk memproduksinya di laboratorium.

Profesor David Mazzotti dari University of Chicago mengepalai lab yang menggunakan pemodelan komputer untuk mencoba memahami cara atom dan molekul berinteraksi dalam proses kimia penting. Beberapa dari reaksi ini sama pentingnya dan umum seperti fotosintesis, di mana tumbuhan dan alga menggunakan energi dari sinar matahari untuk membuat gula dan pati.

Prosesnya dimulai dengan foton mengenai elektron lepas di daun, memungkinkan elektron dan “lubang” tempat muatan bergerak melalui kromofil (molekul klorofil), membawa energi matahari. Meski hal ini sudah diketahui sejak lama, Mazziotti dan rekannya melaporkan bahwa kelompok elektron, lubang, dan lubang tidak selalu bergerak seperti individu.

Bersama-sama, sebuah elektron dan lubangnya dikenal sebagai exciton, dan jika dilihat bersama, sebuah elektron memiliki sifat kuantum yang berbeda dari masing-masingnya. Exciton adalah boson, misalnya, sedangkan elektron dan lubang keduanya adalah fermion. Dengan memodelkan perilaku banyak rangsangan, daripada masing-masing secara individual, para peneliti menyadari betapa miripnya perilaku mereka dengan kondensat Bose-Einstein, yang kadang-kadang dikenal sebagai “keadaan materi kelima” setelah padatan, cairan, gas, dan plasma konvensional. .

Kondensat Bose-Einstein memungkinkan kelompok besar atom menunjukkan jenis perilaku kuantum yang membengkokkan pikiran yang biasanya hanya terlihat pada tingkat subatomik. Mereka tidak hanya dapat membuang fenomena universal seperti gesekan, tetapi mereka juga dapat terlibat dalam aktivitas kuantum eksotis seperti menggabungkan perilaku gelombang dan partikel.

Untuk membuat kondensat Bose-Einstein, para ilmuwan perlu mendinginkan bahan yang dipesan ke suhu tepat di atas nol mutlak, tetapi tumbuhan melakukan hal serupa di luar jendela Anda saat ini (jika saat itu siang hari). “Cahaya fotonik dipanen dalam sistem pada suhu kamar dan terlebih lagi, strukturnya tidak terstruktur – tidak seperti bahan amorf asli dan suhu dingin yang Anda gunakan untuk membuat kondensor exciton,” kata Anna Skotin, mahasiswa pascasarjana pertama dalam studi tersebut. A penyataan.

Penemuan itu tidak dilakukan sebelumnya, sebagian karena rangsangan vegetatif berumur pendek, dan biasanya cepat bergabung kembali. Selain suhu rendah, rekombinasi exciton dapat ditunda dengan medan magnet yang kuat, tetapi tentu saja tanaman juga tidak memilikinya.

“Sejauh yang kami tahu [photosynthesis and exciton condensates] Koneksi belum pernah dilakukan sebelumnya, jadi kami menemukan ini sangat menarik dan mengasyikkan,” kata Mazziotti.

Mungkin yang lebih mengejutkan lagi, rangsangan yang diwarnai oleh kromofor tidak menjadi seperti kapasitor secara bersamaan. Sebaliknya, bintik-bintik itu, yang penulis sebut sebagai bentuk “pulau”. Namun, pulau-pulau ini bukanlah keingintahuan yang tidak terkait.

Sekelompok rindang rindang. Makalah ini mencatat bahwa “mungkin kekurangan beberapa sifat yang terkait dengan kondensasi exciton makroskopik,” tetapi “kemungkinan mempertahankan banyak keuntungan, termasuk transfer energi yang efisien.” Jika demikian, itu akan membuat fotosintesis lebih efisien, berkontribusi pada kekayaan dan kelimpahan kehidupan. Memang, dalam kondisi ideal, kondensasi exciton mungkin menggandakan laju transfer energi dibandingkan dengan apa yang mungkin terjadi.

Bahkan superkomputer berjuang untuk memodelkan kompleksitas perilaku atom dan subatomik selama fotosintesis, sehingga modelnya menjadi lebih sederhana daripada banyak skenario ilmiah lainnya. Namun, Mazziotti mengingatkan bahwa perilaku kelompok adalah sesuatu yang tidak boleh dikesampingkan. “Kami pikir korelasi elektron lokal sangat penting untuk menangkap bagaimana alam bekerja dalam kenyataan,” katanya.

Studi ini terbuka akses di Energi PRX