Quanten-Effekte der Photosynthese könnte Energieeffizienz verbessern.

(ISNS)--Sonnenlicht treibt fast alles Leben auf der Erde, und Wissenschaftler wollen macht Zivilisation sowie Möglichkeiten für sie zu entwickeln. Jetzt schlagen Forscher, dass eine relativ einfache und biologisch inspirierte Technik für Ernte Sonnenlicht im Prinzip die Strahlen der Sonne in Strom sehr effizient umwandeln könnte.

Bei Solarzellen Moleküle absorbieren Photonen oder Pakete von Lichtenergie und Elektronen abgeben, um einen elektrischen Strom zu erzeugen. Diese Elektronen können jedoch schnell kombinieren mit anderen geladenen Teilchen, und absorbiert, wodurch die Zellen, die Effizienz zu verlieren. Da die Elektronen absorbiert werden, sinkt die Menge an Strom durch die Zelle fließen.

Auf der anderen Seite können Moleküle Licht-ernten, die Pflanzen, Bakterien und Algen bei der Photosynthese verwenden mit nahezu perfekte Effizienz unter bestimmten Bedingungen Licht in elektrische Energie umwandeln. Diese bemerkenswerte Leistung ist unmöglich in der klassischen Physik – stattdessen Experimente schlagen aufgrund von seltsamen Effekt, der oft in der Quantenphysik. Zum Beispiel in der Quantenphysik werden Teilchen wie Elektronen im wesentlichen jede Dose in mehr als einem Ort zum gleichen Zeitpunkt oder Spin in zwei entgegengesetzte Richtungen gleichzeitig, eine bizarre Phänomen bekannt als Überlagerung.

"Es war sehr überrascht zu entdecken, dass biologische Systeme wie Pflanzen tatsächlich Quantenmechanik verwenden, um Dinge wie Photosynthese zu tun", sagte Forscher Andy Parker, ein Physiker an der Universität Cambridge in England.

Wissenschaftler weltweit untersuchen, wie Photosynthese funktioniert auf Quantenebene, bessere Solarzellen zu entwerfen. Parker und seine Kollegen haben nun eine relativ einfache Möglichkeit für Quanteneffekte, künstliches Licht-Ernte Geräte möglicherweise erheblich verbessern entwickelt.

"Wir möchten ein System ausdenken, die wirklich gebaut werden kann", sagte Parker. "Wir wollen helfen, die Energiekrise zu bewältigen."

Die Forscher modelliert ein System bestehend aus drei Molekülen ans Licht, imitiert die Architektur und die molekularen Bestandteile in die photosynthetische Pigmente der Pflanzen sehen. Dieses Szenario besteht aus zwei "Spender" Moleküle, die Elektronen abgeben, nachdem sie Photonen absorbieren und ein "Akzeptor" Molekül, das die Elektronen durch die Spender-Moleküle gegeben erhält.

Die Wissenschaftler argumentierte, dass die Spender-Moleküle durch ihre elektromagnetische Felder miteinander interagieren können. "Atome in den Molekülen Spender haben Elektronen um sie herum, und diese Elektronen können elektromagnetische Felder, die die Moleküle über die Entfernung zwischen ihnen sehen kann", sagte Parker. "Es ist sehr ähnlich wie zwei Magneten können"sehen"einander über Entfernungen hinweg – wenn man einseitig ausgerichtet ist, die andere wird tendenziell die gleiche Weise ausrichten."

Diese Interaktion zwischen den Spender-Molekülen führt sie, Elektronen zu teilen. Ein seltsames Prinzip der Quantenphysik kommt dann ins Spiel, bekannt als Quanteninterferenz, wo können Teilchen wie Elektronen Verhalten, wie die Wellen plätschern auf den Oberflächen von Teichen, gesehen auf komplexe Weise gegenseitig stören.

Quanteninterferenz führt die Spender-Moleküle zu beiden gut absorbieren Licht und schlecht Rekombination mit Elektronen geben Sie. Berechnungen deuten darauf hin, dass dieses System 35 Prozent mehr Strom erzeugen könnte, als eine Solarzelle, die funktioniert allein klassische Physik basieren.

Dieses Modell schlagen die Forscher ist einfacher als einige mehr Exoten wie Photosynthese funktioniert vorgeschlagen. "Wir relativ sagst einfach Effekte können echte Vorteile,", sagte Parker.

"Dies ist nur eine theoretische Papier mit einem Spielzeugmodell, aber es enthält einige nette Ideen, die für zukünftige molekulare Designs vorteilhaft sein können", sagte chemische Physiker Elad Harel an der Northwestern University in Evanston, Illinois, die in dieser Studie nicht teilgenommen habe.

Parker darauf hingewiesen, dass sie nicht sagen, dass dieses System auf jeden Fall ist wie Pflanzen erreichen solche erstaunlichen Effizienz mit Photosynthese, aber ein Element was Pflanzen tun könnten.

"Bei der Photosynthese beteiligten Moleküle sind wirklich ziemlich kompliziert, und wir wollen nicht zu sagen völlig verstehen wir eine hoch entwickelte System wie Photosynthese, aus ein paar einfache Mechanismen zu extrapolieren", sagte Parker.

Die Forscher hinzufügen, dass sie dieses System in der Praxis noch nicht tatsächlich gebaut haben. "Aber wir wissen, gibt es Moleküle mit diesen allgemeinen Eigenschaften, die im Labor vorgenommen werden können, und wir reden mit Menschen, die in diesem Bereich zu kommen mit einem System zu arbeiten", sagte Parker.

Harel warnte "das größte Problem ist, dass diese Modellsysteme extrem schwer sind zu synthetisieren." Möglicherweise gibt es viele Möglichkeiten, in denen Energie ", die verhindern, dass die Art der Wirkungsgrade erreicht unter diese Regelungen" verloren gehen kann, hinzugefügt Harel. "Das heißt, sind reale Systeme sehr viel komplexer."

Realistische Simulationen von tatsächlichen Systeme kritisch gegenüber stehen, sagte Harel. "Welche spezifische Moleküle verwendet werden? Was ist ihre Struktur? Wie sie schwanken und bei Raumtemperatur zu bewegen? Sind sie in Lösung oder in einem Film?" Harel gefragt.

Parker und seine Kollegen detailliert ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift Physical Review LettersDez. 18.

In Science News Service wird unterstützt durch das American Institute of Physics. Charles Q. Choi ist ein freier Wissenschaftsjournalist mit Sitz in New York City, der für die New York Times, Scientific American, Wired, Wissenschaft, Natur und viele andere Nachrichtenagenturen geschrieben hat. Er twittert auf @cqchoi.