Buzz
Dường như không liên quan, quang hợp và trạng thái ngưng đọng Bose-Einstein lại có những điểm tương đồng đáng để nghiên cứu.
Bên trong phòng thí nghiệm, các nhà khoa học đã ngạc nhiên trước trạng thái của vật chất chỉ xuất hiện khi nguyên tử đặt trong môi trường gần nhiệt độ 0 tuyệt đối. Ngoài cửa sổ, thực vật vẫn miệt mài hấp thụ ánh sáng Mặt Trời để tạo ra lá mới.
Hai hiện tượng dường như không có liên quan… cho đến khi một báo cáo từ Đại học Chicago xuất hiện. Nhóm nghiên cứu Hoa Kỳ cho rằng những quá trình phức tạp này không khác biệt nhiều nhau.
Trong nghiên cứu mới công bố trên PRX Energy, họ đã phát hiện mối liên kết ở mức nguyên tử giữa quang hợp và ngưng đọng exciton - một trạng thái vật lý kỳ lạ cho phép năng lượng chảy trong vật chất mà không gặp phải ma sát.
“Theo kiến thức của chúng tôi, những lĩnh vực này chưa từng được kết nối với nhau, điều này thực sự là thú vị,” Giáo sư David Mazziotti chia sẻ.
Phòng thí nghiệm của ông Mazziotti tập trung vào việc mô hình hóa những tương tác phức tạp của nguyên tử và phân tử khi chúng bộc lộ các đặc tính khác thường.
Cụ thể, Giáo sư Mazziotti và hai đồng nghiên cứu khác, Anna Schouten và LeeAnn Sager-Smith, đã phát triển một mô hình để mô tả sự tương tác của phân tử trong quá trình quang hợp.
Khi ánh sáng từ Mặt Trời chạm vào lá, nó tạo ra sự biến đổi trong một phân tử có cấu trúc đặc biệt. Năng lượng này đẩy một electron ra khỏi cấu trúc hạt của chất liệu, sau đó electron đó và “lỗ trống” nơi mà electron đó từng tồn tại di chuyển tự do quanh chiếc lá, mang theo năng lượng từ Mặt Trời tới một khu vực khác, gây ra một phản ứng hóa học và tạo ra chất dinh dưỡng cho cây.
Electron tự do và “lỗ trống” hình thành một cặp, được gọi là “exciton”. Khi nhóm nghiên cứu quan sát quá trình quang hợp và xây dựng mô hình cách exciton di chuyển, họ phát hiện ra điều kỳ lạ. Họ nhận thấy cách di chuyển của các exciton tuân theo các mẫu hình quen thuộc.
Thực tế, cách di chuyển của exciton rất giống hành vi của vật chất được gọi là “ngưng đọng Bose-Einstein”, hay còn gọi là “trạng thái thứ năm của vật chất”. Trong trường hợp này, các exciton có thể kết hợp với nhau để tạo ra trạng thái chồng chập lượng tử - có thể so sánh electron và “lỗ trống” với một cặp chuông, có thể đồng điệu rung dù được treo ở bất kỳ đâu.
Trạng thái này cho phép năng lượng di chuyển trong vật chất mà không bị trở ngại. Các nhà khoa học quan tâm đến hiện tượng này vì nó có thể làm nền tảng cho các tiến bộ trong công nghệ, chẳng hạn như trạng thái siêu dẫn đã mở ra cánh cửa cho công nghệ MRI.
Theo mô hình mà nhóm nghiên cứu đã xây dựng, các exciton trong lá cây có thể liên kết như trong trạng thái ngưng đọng Bose-Einstein. Điều này gây ngạc nhiên cho các nhà khoa học vì trạng thái ngưng đọng thường chỉ xuất hiện ở nhiệt độ gần 0 độ tuyệt đối, khi các hạt nguyên tử di chuyển rất chậm.
“Quá trình quang hợp diễn ra trong một hệ thống ở nhiệt độ phòng, và cấu trúc của cây rất phức tạp - không giống như cấu trúc tinh thể được làm lạnh, mà thường được sử dụng để nghiên cứu ngưng đọng exciton,” nhà nghiên cứu Schouten giải thích.
Tuy nhiên, hiệu ứng này không xảy ra ở mọi vị trí trên cây, dường như ngưng đọng xảy ra ở từng khu vực riêng biệt, nhưng theo nhóm chuyên gia, “điều này đã đủ để tăng khả năng truyền tải năng lượng trong hệ thống”. Mô hình giả lập cho thấy hiệu suất truyền tải năng lượng có thể tăng gấp đôi.
Giáo sư Mazziotti cho rằng phát hiện này mở ra khả năng sản xuất nguyên liệu tổng hợp có thể được sử dụng trong các thiết bị điện tương lai. “Trạng thái ngưng đọng exciton lý tưởng lại rất nhạy cảm và đòi hỏi nhiều điều kiện đặc biệt, nhưng về khía cạnh ứng dụng thực tế, thật là vui khi thấy khả năng tăng hiệu suất truyền tải năng lượng có thể xảy ra trong điều kiện thông thường,” ông nhận định.
Nghiên cứu được hỗ trợ một phần bởi Viện Thách Thức Bước Nhảy Lượng Tử, thuộc Quỹ Khoa Học Quốc Gia Hoa Kỳ.
Theo news.uchicago.edu
