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  • 科學家發現光合作用與物質第五態之間的系

    在實驗室里,科學家們驚嘆于當他們將原子冷卻到接近絕對零度時形成的奇怪狀態。在窗外,樹木收集陽光并將它們變成新葉。這兩者似乎無關,但芝加哥大學的一項新研究表明,這些過程并不像表面上看起來那么不同。

    這項研究于28月<>日發表在PRX Energy上,發現了光合作用和激子凝聚物之間的原子水平系 - 這是一種奇怪的物理狀態,允許能量無摩擦地流過材料。作者說,這一發現在科學上很有趣,并可能提出思考設計電子產品的新方法。

    “據我們所知,這些領域以前從未連接過,所以我們發現這非常引人注目和令人興奮,”該研究的共同作者David Mazziotti教授說。

    Mazziotti的實驗室專門研究原子和分子的復雜相互作用,因為它們顯示出有趣的特性。沒有辦法用肉眼看到這些相互作用,因此計算機建??梢詾榭茖W家提供一個窗口,了解為什么會發生這種行為,也可以為設計未來的技術提供基礎。

    特別是,Mazziotti和研究合著者Anna Schouten和LeeAnn Sager-Smith一直在模擬光合作用發生時分子水平上發生的事情。

    當來自太陽的光子撞擊葉子時,它會引發特殊設計的分子的變化。能量敲開一個電子。電子和它曾經所在的“空穴”現在可以圍繞葉子傳播,將太陽的能量帶到另一個區域,在那里它觸發化學反應為植物制造糖分。

    行進的電子和空穴對一起被稱為“激子”。當團隊鳥瞰并模擬多個激子如何移動時,他們注意到了一些奇怪的東西。他們在激子的路徑上看到了看起來非常熟悉的模式。

    事實上,它看起來非常像一種被稱為玻色-愛因斯坦凝聚物的材料中的行為,有時被稱為“物質的第五狀態”。在這種材料中,激子可以連接到相同的量子態 - 有點像一組鈴鐺,都完美地響起。這允許能量以零摩擦在材料周圍移動。(這些奇怪的行為引起了科學家的興趣,因為它們可以成為非凡技術的種子——例如,一種稱為超導性的類似狀態是MRI機器的基礎)。

    根據Schouten,Sager-Smith和Mazziotti創建的模型,葉子中的激子有時可以以類似于激子凝聚行為的方式連接起來。

    這是一個巨大的驚喜。只有當材料冷卻到室溫以下時,才會看到激子冷凝物。這有點像看到冰塊在一杯熱咖啡中形成。

    “光合光捕獲發生在室溫的系統中,更重要的是,它的結構是無序的 - 與用于制造激子冷凝物的原始結晶材料和低溫非常不同,”Schouten解釋說。

    科學家們說,這種效應不是完全的 - 它更類似于凝結水形成的“孤島”。“但這仍然足以增強系統中的能量轉移,”Sager-Smith說。事實上,他們的模型表明它可以將效率提高一倍。

    這為為未來技術生產合成材料開辟了一些新的可能性,Mazziotti說。“理想激子冷凝水是敏感的,需要很多特殊條件,但對于實際應用,看到提高效率但在環境條件下可能發生的東西是令人興奮的。

    Mazziotti說,這一發現也有助于他的團隊十年來一直在探索的更廣泛的方法。

    在光合作用等過程中,原子和分子之間的相互作用非常復雜 - 即使是超級計算機也難以處理 - 因此科學家們傳統上不得不簡化他們的模型才能掌握它們。但Mazziotti認為需要保留一些部分:“我們認為電子的局部相關性對于捕捉自然界的實際運作方式至關重要。

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