Kvantni kromofori

Kateri mikroskopski procesi prispevajo k izjemno učinkovitemu transportu energije pri fotosintezi? Na to vprašanje so poskusili odgovoriti raziskovalci in raziskovalke  univerze v Čikagu, ki svoje ugotovitve opisujejo v Physical review X Energy.

Fotosinteza je v nasprotju s fotovoltaiko evolucijsko izpopolnjen način pretvarjanja energije sončne svetlobe v kemijske vezi. V celicah zelenih žveplovih bakterij poteka v verigi proteinsko-pigmentnih kompleksov. Najprej svetloba elektron na tako imenovanem antenskem proteinsko-pigmentnem kompleksu klorosómov vzbudi v ekscitón, ki se nato prek drugega kompleksa z imenom FMO premakne do reakcijskega centra. Tam poteka nadaljnja pretvorba energije. 

Pri transportu ekscitona se izgubi zelo malo izvorne energije iz svetlobe, manj kot promil. Več razlag te učinkovitosti se sklicuje na kvantno mehaniko. Nedavne študije so sicer manj ugodne za razlage učinkovitosti prek kvantnih koherentnih stanj, vendar mehanizem zanjo ostaja nerazumljen, kvantni pojavi pa niso izključeni.

V novi raziskavi je ekipo raziskovalcev in raziskovalk navdihoval proces kondenzacije ekscitonov, ki se sicer pogosteje obravnava v kontekstu polprevodnikov. Eksciton je tu kvazidelec, ki ga tvori fotovzbujen elektron skupaj z prazno molekulsko orbitalo, ki jo je zasedal pred vzbuditvijo. Ker so ekscitoni bozónske narave, lahko tvorijo Bose-Einsteinov kondenzat, v katerem vsi delci zasedejo isto kvantno stanje. V skladu s tem je skupina nadgradila standardni model za kompleks FMO in vanj vključila elektronske korelacije med ekscitoni.

Izračuni časovnega razvoja zasedenosti ekscitonskih stanj v proteinsko-pigmentnem kompleksu FMO so razkrili vrednost parámetra elektronskih korelacij znotraj FMO, ki je pospešila transport do reakcijskega centra za do 40 odstotkov. Analiza reducirane kvantne gostotne matrike v tem režimu je nato pokazala na sledove ekscitonske kondenzacije.

Študija tako namiguje, da lahko kondenzacija ekscitonov ponudi način izboljšanja učinkovitosti transporta ekscitonov skozi kompleks FMO. Da se to dejansko zgodi v rastlinah, raziskava sicer ne dokazuje. Nakazuje pa možno strategijo izdelave sintetičnih materialov, ki so zmožni fotosinteze.

Slika: "Photosynthesis" by Takashi(aes256) is licensed under CC BY-SA 2.0.