光合成は植物が太陽光をエネルギーに変換するプロセスであり、非常に効率的なエネルギー伝達システムに依存しています。光エネルギーを化学エネルギーに変換するには、まず光エネルギーを捕捉して送信する必要があります。このプロセスはほぼ瞬時に行われ、エネルギー損失は最小限に抑えられます。ミュンヘン工科大学 (TUM) の動的分光学部長による新しい研究では、量子力学的効果がこのエネルギー移動プロセスにおいて重要な役割を果たしていることが明らかになりました。
エリカ・ケイル教授とユルゲン・ハウアー教授率いる研究チームは、精密な測定とシミュレーションを通じて、これらの量子効果がどのように光合成の効率を高めるかを明らかにした。
太陽エネルギーを効率的に利用し、化学エネルギーとして貯蔵することは、エンジニアにとって長年の課題でした。しかし、自然はこの問題を数十億年前に解決しました。新しい研究は、量子力学が物理学者にとっての単なる概念ではなく、生物学的プロセスにおいて重要な役割を果たすことを示しています。
緑色植物やその他の光合成生物は、量子力学を利用して、並外れた効率で太陽光を捕らえ、伝達します。ユルゲン・ハウアー教授は次のように説明しています。「たとえば、光が葉に吸収されると、電子励起エネルギーが各励起クロロフィル分子の複数の状態に分散されます。これは励起状態の重ね合わせと呼ばれます。これは分子内および分子間でのほぼ無損失のエネルギー移動の最初の段階であり、太陽エネルギーの効率的な順方向伝達を可能にします。したがって、量子力学はエネルギー移動と電荷分離の最初のステップを理解するために非常に重要です。」
古典物理学だけでは十分に理解できないクロロフィルのエネルギー伝達プロセスは、緑色植物や他の光合成生物（光合成細菌など）で継続的に発生します。しかし、正確なメカニズムはまだ完全には解明されていません。ホール氏と筆頭著者エリカ・カイル氏は、彼らの研究が葉緑素の色素であるクロロフィルの仕組みを解明するための重要な新たな基礎となると信じている。
これらの発見を人工光合成装置の設計に適用すれば、太陽エネルギーを利用して発電したり、前例のない効率で光化学研究を実施したりできる可能性がある。
この研究では、研究者らは、クロロフィルが光を吸収する 2 つの特定のスペクトル セグメント、すなわち低エネルギー Q 領域 (黄色から赤色のスペクトル範囲) と高エネルギー B 領域 (青色から緑色のスペクトル範囲) に注目しました。 Q 領域は、量子力学によって結合された 2 つの異なる電子状態で構成されます。この結合により、分子内での無損失のエネルギー伝達が実現します。次に、システムは「冷却」（つまり、熱の形でエネルギーを放出）することによって緩和します。この研究は、量子力学的効果が生物学的に関連するプロセスに決定的な影響を与える可能性があることを示しています。
/ScitechDaily から編集