0299 713002
In slechts een paar biljardste van een seconde zet een plant 90 procent van het zonlicht om in chemische energie. Een belangrijk onderdeel van dat systeem zit in een efficiënt kwantummechanisch transport van de pakketjes licht: de fotonen.
Onderzoekers van het Institut de Ciencies Fotoniques uit Barcelona laten in de laatste editie van het tijdschrift Science zien wat voor mechanismen aan dit systeem ten grondslag liggen.
Planten verzamelen pakketjes licht in de vorm van fotonen. De fotonen worden met duizelingwekkende snelheid diep in de cel gebracht waar de lichtenergie met een hoog rendement wordt omgezet in chemische energie. De onderzoekers tonen met hun werk aan dat een natuurkundig effect, genaamd “coherentie”, meehelpt de beste weg voor de fotonen te vinden.
Kamertemperatuur
Dit effect van coherentie werd niet verwacht op kwantummechanische schaal bij kamertemperatuur. De meeste experimenten met kwantummechanica doen wetenschappers namelijk bij zeer lage temperaturen, omdat atomen dan het minst bewegen.
Atomen bewegen bij kamertemperatuur als een dolle. Alles wat leeft is een grote, trillende massa. Om coherentie te bereiken, moet het systeem even stabiel zijn. Omdat er constant veranderingen optreden, moet de ‘weg’ die de fotonen afleggen, steeds van eigenschap veranderen. Op die manier komen de fotonen op de meest efficiënte manier op de goede plek in de cel.
Om dit te onderzoeken, gebruikten de wetenschappers paarse bacteriën die licht gebruiken als energiebron.
Laser
Door vervolgens een laser supersnel te laten knipperen, konden de onderzoekers als het ware ‘snapshots’ nemen van de processen die zich op moleculaire schaal afspeelden.
De lichtflitsen van de laser duren slechts een femtoseconde. In die tijd legt licht een afstand af van een honderdste van de dikte van een menselijke haar. Ter vergelijking: in één seconde legt licht ongeveer de afstand van hier naar de maan af.
Zonnepanelen
Hoofdauteur Niek van Hulst legt uit dat de resultaten laten zien dat coherentie, een echt kwantumeffect van superpositie (waarbij één foton op meerdere plekken tegelijk is), verantwoordelijk is voor het handhaven van de grote efficiëntie van transport in biologische systemen. Ze passen de energietransporttrajecten aan aan de omstandigheden.
Als we dergelijke processen beter begrijpen, kunnen we die mogelijk toepassen in zonnepanelen, aangezien die nog maar een gemiddeld rendement van zo’n 20 tot 30 procent hebben.
Door: NU.nl/Krijn Soeteman