تهیه کننده : فرهاد محیط
کشف ارتباط میان فوتوسنتز و «حالت پنجم ماده» توسط محققان دانشگاه شیکاگو
– گروهی از دانشمندان دانشگاه شیکاگو در میان پدیدة فتوسنتز و ماده چگال اکسایتون ارتباطاتی کشف نمودند.
– گروماده چگال‌ها موجب می‌شوند تا انرژی بدون اصطکاک در یک ماده جریان پیدا کند.هی از دانشمندان دانشگاه شیکاگو در میان پدیدة فتوسنتز و ماده چگال اکسایتون ارتباطاتی کشف نمودند.
– طبق نظر پژوهشگران، این یافته‌ها ممکن است به کشف روش‌های جدیدی برای طراحی سیستم‌های الکترونیکی منجر شود.
بررسی تشابه میان دو پدیده بسیار جالب توجه است. در یک سو در داخل آزمایشگاه، دانشمندان با ویژگی‌های خاصی که با سرد کردن اتم‌ها تا دمای نزدیک به صفر مطلق آشکار می‌شود، روبرو می‌شوند و در سوی دیگر، درختان نور خورشید را جذب کرده و به برگ‌های جدید تبدیل می‌کنند. در پژوهش گروهی از محققان دانشگاه شیکاگو، شباهت این دو فرآیند بررسی شده است. این تحقیق که در 28 آوریل ۲۰۲۳ در مجله PRX Energy منتشر شد، شباهت‌هایی در سطح اتمی بین فتوسنتز و «چگالش اکسیتون» ارائه می‌دهد. چگالش اکسیتون به عنوان یک حالت فیزیکی خاص به انرژی اجازه می‌دهد تا بدون اصطکاک در یک ماده جریان پیدا کند. در این باره، پروفسور دیوید ماتزیوتی، از پژوهشگران حاضر در این مطالعه توضیحاتی ارائه می‌نماید: «تا آنجا که می‌دانیم، تحقیق دیگری در مورد ارتباط این دو حوزه انجام نشده بود. بنابراین، این موضوع برای ما بسیار جذاب و هیجان انگیز است». آزمایشگاه ماتزیوتی به صورت ویژه در حوزه‌ی مدل سازی برهم‌کنش‌های پیچیده اتم‌ها و مولکول‌ها و بررسی خواص خاص مشاهده شده فعالیت می‌کند. مدل سازی‌های کامپیوتری برای بررسی این برهم‌کنش‌ها، دریچه‌ای به روی دانشمندان برای درک چرایی این رفتارها باز می‌کند و می‌تواند پایه‌ای برای طراحی فناوری های آینده فراهم نماید. هنگامی که یک فوتون از خورشید به سمت برگ یک گیاه می‌رود، زنجیره‌ا‌ی از تغییرات در سطح مولکولی ایجاد می‌شود. یک الکترون با دریافت انرژی این فوتون آزاد می‌شود و به همراه حفره‌ی انرژی خود آزادانه در برگ حرکت کنند. بر این اساس، انرژی خورشید به ناحیه‌ای که واکنش شیمیایی مربوط به تولید قند انجام می‌شود، منتقل می‌گردد. جفتِ الکترون و حفره‌ی در حال حرکت به عنوان «اکسیتون» شناخته می‌شوند. هنگامی که محققان نحوه‌ي حرکت چند اکسیتون را مدل نمودند، به شباهت ویژه‌ای در الگوی مسیر اکسیتون‌ها با پدیده‌ی دیگری پی بردند. این الگوها بسیار شبیه رفتار ماده‌ای است که به عنوان «چگالش بوز – انیشتین1» (موسوم به «حالت پنجم ماده») شناخته می‌شود. در این حالت از ماده، اکسیتون‌ها با قرار گرفتن در حالت کوانتومی مشابه (همانند مجموعه‌ای از آواهای هماهنگ)، در درون ماده با اصطکاک صفر حرکت می‌کنند. مشاهده‌ی این رفتار برای دانشمندان بسیار جالب است، زیرا می‌تواند به تغییرات ویژه‌ای در پدیده‌های مهمی مانند نام ابررسانایی (اساس کار دستگاه‌هایMRI ) منجر شود. با توجه به مدل سازی‌های این تحقیق، اکسیتون‌های موجود در برگ گیاه می‌توانند در بعضی موارد به صورت مشابه با رفتار چگالش اکسیتون به هم متصل شوند. این موضوع بسیار عجیب است، چرا که چگالش اکسیتون تنها در دمای بسیار پایین قابل مشاهده است. شوتن، از محققان دیگر حاضر در این تحقیق، در این باره توضیح می‌دهد: «فرآیند فتوسنتزی در سیستمی انجام می‌شود که در دمای اتاق است و علاوه بر این، دارای ساختاری بی‌نظم است؛ و این کاملاً بر خلاف مواد بلوری و دماهای بسیار پایینی است که برای ساختن چگالش اکسیتون لازم است». به گفته‌ی دانشمندان، اثر مشاهده شده کامل نیست و شبیه «جزایر چگالش» است. محقق دیگر این آزمایشگاه در این مورد ابراز می‌دارد: «با این وجود، این اثر برای بهبود انتقال انرژی در یک سیستم کافی است». مدل‌های محققان نشان می‌دهد که می‌توان با استفاده از این پدیده، بازده انتقال انرژی را تا دو برابر افزایش داد. بنا بر نظر ماتزیوتی، این موضوع فرصت‌های جدیدی برای تولید مواد مصنوعی در فناوری‌های آینده ایجاد می‌کند. او توضیحات بیشتری در این مورد ارائه می‌نماید: «باید توجه نمود که چگالش اکسیتون ایده‌آل حساس است و به شرایط بسیار خاصی نیاز دارد؛ اما مشاهده‌ی پدیده‌ای که بازده را در شرایط استاندارد و عادی افزایش دهد، برای کاربردهای واقعی بسیار مهم است». از سوی دیگر، ماتزیوتی معتقد است که این نتیجه به پیشبرد رویکرد گسترده‌تری که تیم او برای یک دهه دنبال نموده است، کمک می‌کند. فعل و انفعالات بین اتم‌ها و مولکول‌ها در فرآیندهایی مانند فتوسنتز بسیار پیچیده است و تحلیل آنها برای اَبَر رایانه‌ها نیز دشوار است. بنابراین، دانشمندان به صورت کلاسیک مجبور بودند تا مدل‌های خود را ساده سازی نمایند. اما ماتزیوتی باور دارد که باید بخشی از ساده سازی‌ها را کاهش داد. وی تأکید می‌کند: «ما فکر می‌کنیم که بررسی همبستگی ناحیه‌ای الکترون‌ها برای فهم چگونگی عملکرد طبیعت ضروری است». این تحقیق توسط موسسه‌ی «Quantum Leap Challenge» در بخش «حسگری کوانتومی برای بیوفیزیک و مهندسی زیستی» بنیاد ملی علوم آمریکا حمایت شده است.