Het is nu lente op het noordelijk halfrond en de wereld om ons heen is groen geworden. Buiten mijn raam staan de bomen vol met bladeren die fungeren als miniatuurfabriekjes, die zonlicht opvangen en er voedsel van maken. We weten dat deze basistransactie plaatsvindt, maar hoe vindt fotosynthese eigenlijk plaats?
Tijdens fotosynthese gebruiken planten kwantummechanische processen. In een poging om te begrijpen hoe planten dit doen, hebben wetenschappers van de Universiteit van Chicago onlangs de bladfunctie op moleculair niveau gemodelleerd. Ze stonden versteld van wat ze zagen. Het blijkt dat planten zich gedragen als een vreemde, vijfde toestand van materie die bekend staat als een Bose-Einstein-condensaat. Nog verrassender is dat deze condensaten meestal worden aangetroffen bij temperaturen rond het absolute nulpunt. Dat ze op een normale, milde lentedag overal om ons heen zijn, is een echte verrassing.
Lage energietoestanden
De drie meest voorkomende toestanden van materie zijn vast, vloeibaar en gas. Wanneer druk of warmte wordt toegevoegd of verwijderd, kan een materiaal tussen deze toestanden wisselen. We horen vaak dat plasma de vierde toestand van materie is. In een plasma vallen atomen uiteen in een soep van positief geladen ionen en negatief geladen elektronen. Dit gebeurt meestal wanneer een materiaal oververhit raakt. De zon is bijvoorbeeld meestal een grote bal van extreem heet materiaal.
Als materie kan worden oververhit, kan het ook worden onderkoeld, waardoor de deeltjes in zeer lage energietoestanden vallen. Om te begrijpen wat er daarna gebeurt, is enige kennis van deeltjesfysica vereist.
Er zijn twee hoofdtypen deeltjes, bosonen en fermionen, en wat hen onderscheidt is een eigenschap die spin wordt genoemd – een vreemde, kwantummechanische eigenschap die verband houdt met het impulsmoment van het deeltje. Bosonen zijn deeltjes met een geheeltallige spin (0, 1, 2, etc.), terwijl fermionen een halftallige spin hebben (1/2, 3/2, etc.). Deze eigenschap wordt beschreven door de spinstatistiekenstelling en betekent dat als je twee bosonen verwisselt, je dezelfde golffunctie behoudt. Je kunt niet hetzelfde doen voor fermionen.
In een Bose-Einstein-condensaat hebben de bosonen in een materiaal zo’n lage energie dat ze allemaal dezelfde toestand innemen en als een enkel deeltje werken. Hierdoor kunnen kwantumeigenschappen op macroscopische schaal worden bekeken. In 1995 werd voor het eerst in een laboratorium een Bose-Einstein-condensaat gemaakt bij een temperatuur van slechts 170 nanokelvin.
Quantum fotosynthese
Laten we nu eens kijken wat er in een typisch blad gebeurt tijdens fotosynthese.
Planten hebben drie basisingrediënten nodig om hun eigen voedsel te maken: koolstofdioxide, water en licht. Een pigment genaamd chlorofyl absorbeert energie van licht in rode en blauwe golflengten. Het weerkaatst licht in andere golflengten, waardoor de plant groen lijkt.
Op moleculair niveau wordt het nog interessanter. Geabsorbeerd licht prikkelt een elektron in een chromofoor, het deel van een molecuul dat de weerkaatsing of absorptie van licht bepaalt. Dit start een reeks kettingreacties die uiteindelijk suikers produceren voor de plant. Met behulp van computermodellen keken onderzoekers van de Universiteit van Chicago naar wat er gebeurt met groene zwavelbacteriën, een fotosynthetische microbe.
Licht exciteert een elektron. Nu werken het elektron en de lege ruimte die het achterliet, een gat genaamd, samen als een boson. Dit elektron-gat paar wordt een exciton genoemd. De exciton reist om energie te leveren aan een andere locatie, waar suikers worden gemaakt voor het lichaam.
“Chromoforen … kunnen energie aan elkaar doorgeven in de vorm van excitonen in een reactiecentrum waar energie kan worden gebruikt, zoals een groep mensen een bal in een doel passt”, legt Anna Southen, hoofdauteur van de studie, uit aan Grote Denk. .
De wetenschappers ontdekten dat de paden van excitonen in gelokaliseerde regio’s leken op die in een excitoncondensaat – een Bose-Einstein-condensaat gemaakt van excitonen. De uitdaging met excitoncondensaten is dat elektronen en ionen de neiging hebben om snel te recombineren. Zodra dit gebeurt, verdwijnt de exciton, vaak voordat zich een condensaat vormt.
Deze condensaten zijn buitengewoon moeilijk te maken in het laboratorium, maar hier waren ze, recht voor de ogen van wetenschappers, in een rommelig organisme bij kamertemperatuur. Door een condensaat te vormen, vormden de excitonen een enkele kwantumtoestand. In wezen fungeerden ze als een enkel deeltje. Dit vormt een supervloeistof – een vloeistof zonder viscositeit en zonder wrijving – waardoor energie vrij tussen de chromoforen kan stromen.
Hun resultaten zijn gepubliceerd in PRX-energie.
Rommelige omstandigheden
Excitonen vervallen meestal snel en wanneer ze vervallen, kunnen ze geen energie meer dragen. Om ze langer houdbaar te maken, moeten ze meestal erg koud zijn. In feite zijn er nooit excitoncondensaten waargenomen boven temperaturen van 100 Kelvin, wat een ijzige negatieve -173 graden Celsius is. Daarom is het zo verrassend om dit gedrag te zien in een ongeordend, echt systeem bij normale temperaturen.
Dus wat is hier aan de hand? Een andere manier waarop de natuur ons voortdurend verrast.
“Fotosynthese werkt bij normale temperaturen omdat de natuur bij normale temperaturen moet werken om te overleven, dus het proces is daarvoor geëvolueerd”, zegt Schouten.
In de toekomst kunnen Bose-Einstein-condensaten bij kamertemperatuur praktische toepassingen hebben. Omdat ze werken als een enkel atoom, kunnen Bose-Einstein-condensaten ons inzicht geven in kwantumeigenschappen die moeilijk waar te nemen zijn op atomair niveau. Ze hebben ook toepassingen voor gyroscopen, atoomlasers, zeer nauwkeurige sensoren voor tijd, zwaartekracht of magnetisme, en hogere niveaus van energie-efficiëntie en transport.
