量子技术将树叶变成完美的太阳能电池板，科学家揭开了其奥秘

绿色植物和其他光合生物是如何如此有效地传输太阳能的？

一项新的研究揭示了绿色植物和其他光合生物是如何如此高效地传输太阳能的。最新的研究还强调了量子力学在实现能量从光吸收到以化学能形式储存的几乎无损失运动方面的重要性。

几十年来，工程师们一直试图复制这种现象，以利用清洁能源。

根据该研究的作者之一Jürgen Hauer教授的说法，“例如，当光在叶子中被吸收时，电子激发能量分布在每个激发的叶绿素分子的几个状态上；这被称为激发态的叠加。”

“这是分子内部和分子之间几乎无损失能量转移的第一阶段，使太阳能的有效继续运输成为可能。因此，量子力学对于理解能量转移和电荷分离的第一步至关重要。”

了解自然界近乎完美的光采集器使用的量子技巧

植物和光合细菌早就证明了能量转换的效率，这是传统物理学难以完全解释的。这项研究旨在阐明是什么使叶绿素（赋予树叶绿色的色素）成为如此强大的光收割机。

Hauer和第一作者Erika Keil说，这些发现为量子层面的能量传递之谜提供了重要的线索，理论上，这些知识可以帮助研究人员开发出人工光合作用装置，以前所未有的效率利用太阳能。

聚焦于叶绿素吸收光谱的两个部分，研究人员检查了低能量的Q区（黄色到红色范围）和高能量的B区（蓝色到绿色）。在Q区，两个密切相关的电子态是量子力学耦合的，这种相互作用在几乎无损失的能量转移中起着关键作用。

被激发的系统随后通过释放热量而松弛。根据作者的说法，这个“冷却”步骤是从一个能量状态到一个低能量状态的关键转变，而不会浪费能量损失。

检验无损耗能量传递途径

该研究的摘要详细介绍了该团队如何结合偏振控制静态和超快光学光谱来观察叶绿素a中的这些过程。他们用计算模型支持实验，发现能量在大约100飞秒的时间尺度内流动（一飞秒是一千万亿分之一秒）。

虽然一个关键的中间态（Qx）在不到30飞秒的时间尺度上短暂存在，但研究小组得出结论，它的短暂存在对于连接B和Q区域之间的能量至关重要。整个过程非常顺利，为能源运输提供了一条几乎没有损失的途径。

正如Hauer所指出的，大自然已经“找到了一个完美的解决方案”来将太阳能转化为化学能。了解叶绿素中量子态的复杂相互作用，可以帮助科学家设计出同样高效的发电或光化学方法。

对这些机制的研究仍在进行中，但作者认为这些结果是复制大自然壮举的重要一步，可能为更有效的可再生能源解决方案打开大门。通过揭示植物如何在亚原子水平上运作，这项研究可能会指导未来在捕获太阳能方面的创新。

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