À l’intérieur d’un laboratoire, les scientifiques s’émerveillent devant un état étrange qui se forme lorsqu’ils refroidissent les atomes jusqu’à un zéro presque absolu. À l’extérieur de leur fenêtre, les arbres recueillent la lumière du soleil et les transforment en nouvelles feuilles. Les deux ne semblent pas liés – mais une nouvelle étude de l’Université de Chicago suggère que ces processus ne sont pas si différents qu’ils pourraient apparaître à la floor.
L’étude, publiée dans PRX Strength le 28 avril, a trouvé des liens au niveau atomique entre la photosynthèse et les condensats d’excitons – un état physique étrange qui permet à l’énergie de circuler sans frottement à travers un matériau. La découverte est scientifiquement intrigante et peut suggérer de nouvelles façons de penser à la conception de l’électronique, ont déclaré les auteurs.
“Pour autant que nous sachions, ces domaines n’ont jamais été connectés auparavant, nous avons donc trouvé cela très convaincant et passionnant”, a déclaré le co-auteur de l’étude, le professeur David Mazziotti.
Le laboratoire de Mazziotti se spécialise dans la modélisation des interactions complexes des atomes et des molécules motor vehicle ils présentent des propriétés intéressantes. Il n’y a aucun moyen de voir ces interactions à l’œil nu, donc la modélisation informatique peut donner aux scientifiques une fenêtre sur la raison pour laquelle le comportement se produit – et peut également fournir une base pour la conception de technologies futures.
En particulier, Mazziotti et les co-auteurs de l’étude Anna Schouten et LeeAnn Sager-Smith ont modélisé ce qui se passe au niveau moléculaire lors de la photosynthèse.
Lorsqu’un photon du soleil frappe une feuille, il déclenche un changement dans une molécule spécialement conçue. L’énergie fait tomber un électron. L’électron, et le “trou” où il se trouvait autrefois, peut maintenant voyager autour de la feuille, transportant l’énergie du soleil vers une autre zone où il déclenche une réaction chimique pour fabriquer des sucres pour la plante.
Ensemble, cette paire d’électrons et de trous en déplacement est appelée « exciton ». Lorsque l’équipe a pris une vue à vol d’oiseau et modélisé la façon dont plusieurs excitons se déplacent, ils ont remarqué quelque selected d’étrange. Ils ont vu des modèles dans les trajectoires des excitons qui semblaient remarquablement familiers.
En fait, cela ressemblait beaucoup au comportement d’un matériau connu sous le nom de condensat de Bose-Einstein, parfois appelé «le cinquième état de la matière». Dans ce matériau, les excitons peuvent se connecter dans le même état quantique – un peu comme un ensemble de cloches qui sonnent toutes parfaitement en harmonie. Cela permet à l’énergie de se déplacer autour du matériau sans frottement. (Ces kinds de comportements étranges intriguent les scientifiques auto ils peuvent être les germes d’une technologie remarquable – par exemple, un état similaire appelé supraconductivité est à la base des appareils IRM).
Selon les modèles créés par Schouten, Sager-Smith et Mazziotti, les excitons d’une feuille peuvent parfois se lier de manière similaire au comportement du condensat d’excitons.
Ce fut une énorme surprise. Les condensats d’excitons n’ont été observés que lorsque le matériau est refroidi de manière significative en dessous de la température ambiante. Ce serait un peu comme voir des glaçons se former dans une tasse de café chaud.
a expliqué Schouten.
Cet effet n’est pas complete – il s’apparente davantage à la formation d'”îlots” de condensats, ont déclaré les scientifiques. “Mais c’est encore suffisant pour améliorer le transfert d’énergie dans le système”, a déclaré Sager-Smith. En fait, leurs modèles suggèrent qu’il peut jusqu’à doubler l’efficacité.
Cela ouvre de nouvelles possibilités pour générer des matériaux synthétiques pour la technologie long term, a déclaré Mazziotti. “Un condensat d’exciton idéal parfait est smart et nécessite de nombreuses disorders spéciales, mais pour des applications réalistes, il est excitant de voir quelque selected qui augmente l’efficacité mais qui peut se produire dans des ailments ambiantes.”
Mazziotti a déclaré que la découverte s’inscrivait également dans une approche plus big que son équipe explorait depuis une décennie.
Les interactions entre les atomes et les molécules dans des processus comme la photosynthèse sont incroyablement complexes – difficiles à gérer même pour un superordinateur – les scientifiques ont donc traditionnellement dû simplifier leurs modèles pour les maîtriser. Mais Mazziotti pense que certaines events doivent être laissées de côté : “Nous pensons que la corrélation locale des électrons est essentielle pour capturer le fonctionnement réel de la nature.”