Der Photosynthese – wie sie vor allem Pflanzen betreiben – liegt eine besonders effiziente Energieumwandlung zugrunde. Um chemische Energie zu erzeugen, muss zunächst das Sonnenlicht aufgefangen und weitertransportiert werden. Das erfolgt praktisch verlustfrei und extrem schnell. Eine neue Studie an der Professur für Dynamische Spektroskopien der Technischen Universität München (TUM) zeigt nun, dass quantenmechanische Effekte dabei maßgeblich sind. Das fand ein Team um Erika Keil und Prof. Jürgen Hauer durch Messungen und Simulationen heraus.
Die effiziente Umwandlung von Sonnenenergie in speicherbare chemische Energieformen ist der Traum vieler Ingenieurinnen und Ingenieure. Die Natur hat für dieses Problem bereits vor Milliarden Jahren eine perfekte Lösung gefunden. Die neue Studie zeigt, dass Quantenmechanik nicht nur etwas für Physiker ist, sondern auch eine Schlüsselrolle in der Biologie spielt.
Photosynthetische Organismen wie etwa Grünpflanzen bedienen sich beim Einfangen von Sonnenlicht quantenmechanischer Vorgänge, wie Prof. Jürgen Hauer erläutert: „Wenn Licht zum Beispiel in einem Blatt absorbiert wird, ist die elektronische Anregung über mehrere Zustände verteilt; man spricht von einer sogenannten Superposition. Das ist die erste Stufe eines verlustfreien Energietransfers innerhalb der Moleküle und eines effizienten Weitertransports der Sonnenenergie. Die Quantenmechanik ist hier also zentral, um die ersten Schritte des Energie- und Ladungstransfers zu verstehen.“
Dieser mit den Mitteln der klassischen Physik nicht nachvollziehbare Vorgang findet ständig in Grünpflanzen, aber zum Beispiel auch in photosynthetischen Bakterien statt. Die genauen Mechanismen sind allerdings immer noch nicht komplett aufgeschlüsselt worden. Hauer und Erstautorin Erika Keil sehen ihre Studie als wichtige neue Grundlage für die Bestrebungen, die Funktionsweise von Chlorophyll, dem Farbstoff im Blattgrün, zu klären. Die Anwendung dieser Erkenntnisse im Design künstlicher Photosyntheseeinheiten könnte dazu beitragen, die Sonnenenergie mit bislang unerreichter Effizienz für die Stromerzeugung oder für die Photochemie zu nutzen.
Die Forschenden untersuchten für die Studie zwei konkrete Ausschnitte des Spektrums, in denen Chlorophyll Licht absorbiert: den energiearmen Q-Bereich (gelb-grün bis rot) und den energiereichen B-Bereich (im blauen Spektrum). Der Q-Bereich besteht dabei aus zwei verschiedenen elektronischen Zuständen, die quantenmechanisch gekoppelt sind. Diese Kopplung führt zu extrem schnellem Energietransport im Molekül. Danach beruhigt sich das System durch „Abkühlung“, indem es Energie in Form von Wärme abgibt. Die Studie zeigt, dass quantenmechanische Effekte auch biologisch relevante Prozesse entscheidend beeinflussen können.
Publikationen
Erika Keil, Ajeet Kumar, Lena Bäuml, Sebastian Reiter, Erling Thyrhaug, Simone Moser, Christopher D. P. Duffy, Regina de Vivie-Riedle and Jürgen Hauer: “Reassessing the role and lifetime of Qx in the energy transfer dynamics of chlorophyll a” erschienen in: Chemical Science 27.11.2024, https://doi.org/10.1039/D4SC06441K
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Originalartikel: https://www.tum.de/aktuelles/alle-meldungen/pressemitteilungen/details/quantenmechanik-hilft-bei-der-photosynthese