量子力學如何成就光合作用的超高效率

植物利用量子物理學來捕捉太陽能，效率近乎完美。科學家們正在探索如何將這一機制應用於下一代可再生能源技術。光合作用，這個植物將陽光轉化為能量的過程，依賴於一個極其高效的能量傳遞系統。在光能轉化為化學能之前，它必須先被捕捉和傳輸——這個過程幾乎瞬間完成，且能量損失極小。

慕尼黑工業大學（TUM）動態光譜學講座的一項新研究揭示，量子力學效應在這一能量傳遞過程中扮演了關鍵角色。由Erika Keil和Jürgen Hauer教授領導的研究團隊，透過精確的測量和模擬，揭示了這些量子效應如何促成光合作用的效率。光合作用是植物和某些微生物利用陽光將二氧化碳和水合成碳水化合物的過程。

長期以來，工程師們一直在努力高效地捕捉太陽能並將其儲存為化學能。然而，自然界在數十億年前就解決了這個問題。一項新研究揭示，量子力學不僅是物理學家的概念——它在生物過程中也扮演著至關重要的角色。

綠色植物和其他光合作用生物利用量子力學以驚人的效率捕捉和傳遞陽光。正如Jürgen Hauer教授解釋的那樣：「當光被葉子吸收時，例如，電子激發能量分佈在每個激發的葉綠素分子的幾個狀態上；這稱為激發態的疊加。這是分子內和分子間幾乎無損能量傳遞的第一階段，使得太陽能的高效傳輸成為可能。因此，量子力學對於理解能量傳遞和電荷分離的初步步驟至關重要。」

這一過程，僅靠經典物理學無法完全理解，它不斷發生在綠色植物和其他光合作用生物，如光合細菌中。然而，確切的機制仍未完全闡明。Hauer和第一作者Erika Keil將他們的研究視為澄清葉綠素（葉綠素是葉綠素的色素）如何工作的重要新基礎。

在人工光合作用單元的設計中應用這些發現，可以幫助以前所未有的效率利用太陽能進行發電或光化學反應。在這項研究中，研究人員檢查了葉綠素吸收光的兩個特定光譜區域：低能量的Q區域（黃色到紅色光譜範圍）和高能量的B區域（藍色到綠色）。Q區域由兩個不同的電子狀態組成，這些狀態是量子力學耦合的。這種耦合導致分子中的無損能量傳輸。然後，系統透過冷卻放鬆，即以熱的形式釋放能量。研究表明，量子力學效應可以對生物相關過程產生決定性影響。

參考文獻：Erika Keil, Ajeet Kumar, Lena Bäuml, Sebastian Reiter, Erling Thyrhaug, Simone Moser, Christopher D. P. Duffy, Regina de Vivie-Riedle 和 Jürgen Hauer 於2024年11月27日在《化學科學》上發表的「重新評估Q_x在葉綠素a能量傳遞動力學中的作用和壽命」。DOI: 10.1039/D4SC06441K