کشف راز کارایی شگفت‌انگیز گیاهان/ الهام از طبیعت برای ساخت نسل جدید سلول‌های خورشیدی

به گزارش تجارت نیوز،

از آغاز حیات بر روی زمین، نور خورشید به‌عنوان اصلی‌ترین منبع انرژی نقش مهمی در رشد و تکامل موجودات زنده ایفا کرده است. در این میان، گیاهان، جلبک‌ها و برخی باکتری‌ها با فرآیندی به نام فتوسنتز توانسته‌اند نور خورشید را به شکلی فوق‌العاده کارآمد به انرژی شیمیایی تبدیل کنند. این فرآیند که اساس زنجیره‌های غذایی و بقای اکوسیستم‌های مختلف را تشکیل می‌دهد، سال‌هاست که الهام‌بخش دانشمندان در تلاش برای توسعه فناوری‌های انرژی تجدیدپذیر بوده است.

اما یک سؤال بنیادی همیشه ذهن محققان را به خود مشغول کرده است: چطور گیاهان می‌توانند با این دقت و کارایی بالا، انرژی خورشید را جذب و تبدیل کنند؟

پاسخ این سؤال در حوزه‌ای پنهان شده که شاید کمتر کسی انتظارش را داشته باشد: دنیای مکانیک کوانتومی.

در مطالعه‌ای جدید که توسط تیمی از پژوهشگران به رهبری پروفسور یورگن هاوئر انجام شده است، دانشمندان توانسته‌اند بخش‌هایی از این معمای پیچیده را حل کنند. آن‌ها دریافته‌اند که راز این کارایی شگفت‌انگیز در استفاده گیاهان از ترفندهای کوانتومی نهفته است؛ پدیده‌هایی که می‌توانند مسیر آینده فناوری‌های خورشیدی و انرژی‌های پاک را تغییر دهند.

راز فتوسنتز کارآمد: مکانیک کوانتومی در دل برگ‌های سبز

فتوسنتز در ظاهر فرآیندی ساده به نظر می‌رسد: گیاهان نور خورشید را جذب می‌کنند، آن را به انرژی شیمیایی تبدیل می‌کنند و اکسیژن تولید می‌شود. اما اگر به عمق این فرآیند در سطح مولکولی و حتی زیراتمی نگاه کنیم، با دنیایی پیچیده و شگفت‌انگیز روبه‌رو خواهیم شد.

در قلب این فرآیند، مولکولی به نام کلروفیل قرار دارد؛ رنگدانه‌ای سبز که مسئول جذب نور خورشید است. اما جذب نور تنها آغاز ماجراست. آنچه مهم است، نحوه انتقال انرژی جذب‌شده درون سلول‌های گیاه و تبدیل آن به انرژی قابل‌استفاده است.

پروفسور هاوئر توضیح می‌دهد: "زمانی که نور خورشید توسط کلروفیل جذب می‌شود، انرژی حاصل از آن به جای اینکه به یک مسیر محدود شود، به طور همزمان در چندین حالت مختلف از مولکول‌های کلروفیل توزیع می‌شود. این پدیده که به آن برهم‌نهی کوانتومی می‌گویند، باعث می‌شود انرژی بتواند به شکل بسیار سریع و تقریباً بدون هیچ اتلافی بین مولکول‌ها جابه‌جا شود."

در دنیای کلاسیک، ما انتظار داریم انرژی از نقطه A به نقطه B منتقل شود. اما در سطح کوانتومی، انرژی می‌تواند به‌طور همزمان در چندین مسیر حرکت کند و بهترین و کارآمدترین مسیر را برای انتقال خود انتخاب کند. این همان چیزی است که گیاهان از آن بهره می‌برند و آن را به شکلی بی‌نقص پیاده می‌کنند.

بررسی علمی فرآیند انتقال انرژی در گیاهان

در این مطالعه، پژوهشگران تصمیم گرفتند تا عملکرد کلروفیل a، یکی از رایج‌ترین انواع کلروفیل در گیاهان، را بررسی کنند. آن‌ها با استفاده از تکنیک‌های پیشرفته مانند طیف‌سنجی فوق سریع توانستند فرآیندهای انتقال انرژی را در مقیاس زمانی بسیار کوچک (فمتوثانیه) مورد مطالعه قرار دهند.

تمرکز بر دو ناحیه کلیدی طیف نوری:

1. ناحیه Q (کم‌انرژی): این بخش از طیف نوری در محدوده نور زرد تا قرمز قرار دارد.
2. ناحیه B (پرانرژی): این قسمت شامل نورهای آبی تا سبز است که انرژی بیشتری دارند.

در ناحیه Q، پژوهشگران کشف کردند که دو حالت الکترونیکی بسیار نزدیک به هم به شکلی خاص به هم جفت شده‌اند. این جفت‌شدگی کوانتومی یکی از عوامل اصلی در انتقال سریع و بدون تلفات انرژی است. زمانی که انرژی نور وارد سیستم می‌شود، این حالت‌های جفت‌شده به انرژی اجازه می‌دهند تا به شکلی کارآمد در سراسر مولکول‌های کلروفیل حرکت کند.

اما ماجرا به همین جا ختم نمی‌شود. پس از انتقال اولیه، سیستم باید انرژی اضافی خود را به‌گونه‌ای مدیریت کند تا از اتلاف آن جلوگیری شود. این فرآیند که به آن "خنک‌سازی" یا "relaxation" گفته می‌شود، به گیاهان کمک می‌کند تا انرژی را در بهترین حالت ممکن برای واکنش‌های شیمیایی ذخیره کنند.

سفری در دل زمان: انتقال انرژی در مقیاس فمتوثانیه

یکی از شگفت‌انگیزترین نتایج این تحقیق، اندازه‌گیری سرعت انتقال انرژی در کلروفیل بود. دانشمندان دریافتند که انرژی تنها در حدود 100 فمتوثانیه (یک میلیون میلیاردم ثانیه) در مولکول‌های کلروفیل جابه‌جا می‌شود. برای درک بهتر این عدد، تصور کنید که نور در همین بازه زمانی می‌تواند تنها به اندازه ضخامت یک تار موی انسان حرکت کند!

در این میان، یک حالت الکترونیکی واسطه‌ای به نام Qx تنها برای مدت کوتاهی (کمتر از 30 فمتوثانیه) ظاهر می‌شود. با وجود این حضور کوتاه، نقش Qx بسیار حیاتی است زیرا به‌عنوان "پل انرژی" عمل می‌کند و انتقال انرژی را بین نواحی پرانرژی و کم‌انرژی تسهیل می‌کند.

این فرآیند به قدری سریع و کارآمد انجام می‌شود که انرژی در طول مسیر تقریباً هیچ اتلافی ندارد؛ چیزی که حتی پیشرفته‌ترین پنل‌های خورشیدی امروزی نیز نمی‌توانند به آن دست یابند.

از برگ تا پنل خورشیدی: الهام از طبیعت برای آینده انرژی پاک

پروفسور هاوئر در توضیح اهمیت این کشف می‌گوید:

"طبیعت در طول میلیون‌ها سال تکامل، راه‌حلی بی‌نقص برای تبدیل نور خورشید به انرژی شیمیایی پیدا کرده است. اگر بتوانیم این فرآیندها را به‌درستی درک کنیم، می‌توانیم سیستم‌های انرژی پاک بسازیم که کارایی آن‌ها حتی از پیشرفته‌ترین پنل‌های خورشیدی امروزی بیشتر باشد."

این یافته‌ها می‌توانند زمینه‌ساز توسعه فتوسنتز مصنوعی و پنل‌های خورشیدی نسل جدید شوند. محققان معتقدند که اگر بتوان از این اصول کوانتومی در طراحی سلول‌های خورشیدی استفاده کرد، می‌توان به فناوری‌هایی دست یافت که کارایی بسیار بالاتر، هزینه کمتر و دوام بیشتر داشته باشند.

به نقل از IE، این مطالعه نشان می‌دهد که راز کارایی بی‌نظیر فتوسنتز در گیاهان، در دنیای شگفت‌انگیز مکانیک کوانتومی نهفته است. گیاهان با بهره‌گیری از اصول پیچیده فیزیک کوانتومی، توانسته‌اند راهی بی‌نقص برای تبدیل نور خورشید به انرژی پیدا کنند؛ مسیری که تقریباً هیچ اتلاف انرژی در آن رخ نمی‌دهد.

درک این فرآیندها تنها یک پیشرفت علمی نیست؛ بلکه گامی بزرگ در جهت یافتن راه‌حل‌های نوآورانه برای بحران‌های انرژی و محیط‌زیست در جهان امروز است.

شاید روزی برسد که پنل‌های خورشیدی روی پشت‌بام خانه‌هایمان همان‌قدر کارآمد باشند که برگ‌های سبز درختان در دل طبیعت.

اخبار حوزه محیط‌زیست و تغییرات اقلیمی را در صفحه اقتصاد سبز تجارت‌نیوز بخوانید.