Новости химической науки > Новое в понимании квантовой биологии

Исследователи из Университета Чикаго синтезировали соединение, поведение которого имитирует сложную квантовую динамику, наблюдаемую в процессе фотосинтеза, благодаря чему может стать основой для создания принципиально новых подходов к утилизации солнечной энергии.

Результаты нового исследования позволяют говорить о том, что управление квантовыми эффектами в синтетической системе, поглощающей солнечную энергию, гораздо проще, чем ожидалось ранее.

Исследователям удалось синтезировать низкомолекулярные соединения, которые способны поддерживать долгоживущие квантовые когеренции. Когеренции представляют собой макроскопически наблюдаемое поведение квантовой суперпозиции – ключевой концепции квантовой механики, упрощенно описывающейся на примере классического мысленного эксперимента с котом Шредингера, в котором одна квантовая частица, как например, электрон, одновременно находится более, че в одном состоянии.

Обычно в горячих и неупорядоченных системах квантовыми эффектами принято пренебрегать. Однако результаты экспериментов с применением сверхбыстрой спектроскопии, проведенные в лаборатории Грега Энгеля (Greg Engel), продемонстрировали, что квантовая суперпозиция может играть роль в высокой квантовой эффективности поглощения света в процессе фотосинтеза даже при физиологических температурах.

Фотосинтетические антенны – белки, организующие хлорофиллы и другие светопоглощающие молекулы в растениях и бактериях, могут поддерживать суперпозиции, существующие в течение аномально длительного временит. Многие исследователи предполагают, что организмы эволюционировали так, чтобы максимально возможно защищать эти суперпозиции, в результате чего в живых системах наблюдается чрезвычайно высокая степень конверсии энергии солнечного света в энергию химическую. Новые результаты демонстрируют, что подобный же подход может оказаться полезным для учета средств кантовой механики в синтетические объекты.

Исследователи из Университета Чикаго синтезировали соединение, поведение которого имитирует сложную квантовую динамику, наблюдаемую в процессе фотосинтеза, благодаря чему может стать основой для создания принципиально новых подходов к утилизации солнечной энергии. (Фото: © Graham Griffith)

Исследователи модифицировали флуоресцеин – то самое вещество, которое однажды было использовано для окрашивание реки Чикаго в День св. Патрика, связав пары молекул этого красителя жесткими мостиковыми структурами. Получившиеся системы обладали важными свойствами молекул хлорофилла, позволявшими когеренциям существовать при комнатной температуре в течение фемтосекунд.

На первый взгляд, фемтосекунды не кажутся столь большим временем, однако, если сравнить скорость распространения возмущений по этим системам, которая также реализуется в ультрабыстрой временной шкале, становится ясно, что квантовые суперпозиции могут играть важную роль в переносе энергии.

Чтобы получить свидетельства в пользу долгоживущих суперпозиций, исследователи заняли «фильм» о судьбе энергетических потоков в молекулах, примени в качестве «съемочного оборудования» ультракороткоимпульсную лазерную систему, разработанную непосредственно в лабораториях Университета Чикаго. Образец облучали тремя точно контролируемыми импульсами лазера, заставляя его испускать оптические сигналы, которые фиксировались с помощью специального оборудования.

Сканирование времени задержек между импульсами лазера позволило исследователям визуализировать потоки энергии в системе и расшифровать результаты как серию двумерных спектров. Каждый такой спектр представляет собой один кадр фильма и содержит информацию о том, какими путями энергетическое возмущение перемещается по системе.

Полученные фильмы отображают как во времени протекает процесс релаксации от высших уровней энергии к низшим, а также колебание сигналов в его специфических регионов – квантовые биения ( quantum beats). Исследователи поясняют, что квантовые биения являются сигнатурами квантовых когеренций, обязанные своим происхождением интерференциями различных энергетических состояний системы, находящихся в суперпозиции.

Компьютерное моделирование показало, что квантовая когеренция работает в фотосинтетических антеннах, предохраняя возмущения от перехвата по пути к реакционному центру, на котором начинается конверсия энергии света в энергию химическую. В соответствии с одной из интерпретаций, по мере движения возмущения по антенне это возмущение остается суперпозицией всех возможных путей одновременно, таким образом увеличивая вероятность передачи потока энергии к нужному центру. Возможность наблюдения подобной когеренции в синтетической системе позволяет надеяться на воссоздание этого явления и в неживых системах.

Источник: Science, 2013; DOI: 10.1126/science.1233828

метки статьи: #аналитическая химия, #биохимия, #квантовая химия, #молекулярные устройства