光合作用是植物將陽光轉化為能量的過程，它依賴於一個極其高效的能量傳輸系統。 在將光能轉換為化學能之前，必須先捕捉和傳輸光能，這個過程幾乎是瞬間完成的，而且能量損失極小。慕尼黑工業大學（TUM）動態光譜學教席的一項新研究揭示，量子力學效應在這一能量轉移過程中起著至關重要的作用。

透過精確測量和模擬，Erika Keil 和Jürgen Hauer 教授領導的研究小組揭示了這些量子效應是如何提高光合作用的效率的。

長期以來，高效利用太陽能並將其儲存為化學能一直是工程師面臨的難題。 然而，大自然早在數十億年前就解決了這個問題。 一項新的研究表明，量子力學不僅僅是物理學家的概念，它在生物過程中也發揮著至關重要的作用。

綠色植物和其他光合生物利用量子力學捕捉和傳遞太陽光，效率非凡。 正如於爾根-豪爾教授所解釋的那樣：”例如，當光線被葉片吸收時，電子激發能量分佈在每個激發葉綠素分子的多個狀態上；這被稱為激發態疊加。 這是分子內部和分子之間幾乎無損耗的能量轉移的第一階段，使太陽能的有效向前傳輸成為可能。 因此，量子力學對於理解能量傳遞和電荷分離的第一步。”

檢查從冷凍菠菜中提取的含有植物葉綠素的樣本。 圖片來源：Andreas Heddergott / TUM

葉綠素的能量轉移過程，僅靠經典物理學是無法令人滿意地理解的，它在綠色植物和其他光合生物（如光合細菌）中不斷發生。 然而，確切的機制仍未完全闡明。 豪爾和第一作者艾麗卡-凱爾認為，他們的研究為闡明葉綠素（葉綠素中的色素）的工作原理奠定了重要的新基礎。

將這些發現應用於人工光合作用裝置的設計，有助於以前所未有的效率利用太陽能發電或進行光化學研究。

第一作者Erika Keil 和Jürgen Hauer 教授在實驗室。 圖片來源：Andreas Heddergott / TUM

在這項研究中，研究人員考察了葉綠素吸收光線的兩個特定光譜段：低能量Q 區（黃色至紅色光譜範圍）和高能量B 區（藍色至綠色光譜範圍）。 Q 區由量子力學耦合的兩種不同電子態組成。 這種耦合導致了分子中的無損耗能量傳輸。 然後，系統透過”冷卻”（即以熱量的形式釋放能量）弛豫。 這項研究表明，量子力學效應可對生物相關過程產生決定性影響。

編譯自/ ScitechDaily