{"id":27035,"date":"2015-07-15T02:00:46","date_gmt":"2015-07-15T00:00:46","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=27035"},"modified":"2015-07-14T10:39:02","modified_gmt":"2015-07-14T08:39:02","slug":"kuenstliche-photosynthese","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/kuenstliche-photosynthese\/","title":{"rendered":"K\u00fcnstliche Photosynthese"},"content":{"rendered":"

Die Natur ist nicht dumm. Mit beeindruckender Effizienz k\u00f6nnen Pflanzen oder Bakterien das Licht der Sonne f\u00fcr die Photosynthese nutzbar machen. Seit Jahren wird diskutiert, ob Quanteneffekte f\u00fcr diese Effizienz verantwortlich sind. Man beobachtete n\u00e4mlich, dass Molek\u00fcle bei der Photosynthese erstaunlich lange in einem Zustand verweilen k\u00f6nnen, den man nur quantenphysikalisch verstehen kann. Anhand eines Modellsystems wurde dieser Effekt an der TU Wien nun untersucht. Dabei zeigte sich: Die hei\u00df diskutierten langlebigen Quantenzust\u00e4nde sind ein Nebenprodukt eines anderen Ph\u00e4nomens. Die Kopplung zwischen Vibrationen und Elektronen der Molek\u00fcle stellt sich als entscheidend heraus, dieser Effekt erkl\u00e4rt die Messungen nun vollst\u00e4ndig.<\/strong><\/p>\n

Warm, feucht und wirr<\/h3>\n

Ein biologisches System wie eine lebende Zelle ist eigentlich kein gutes Quantenlabor. \u201eZellen sind warm, nass und unordentlich. Genau so eine Umgebung will man normalerweise vermeiden, wenn man Quantenexperimente durchf\u00fchrt\u201c, erkl\u00e4rt J\u00fcrgen Hauer vom Institut f\u00fcr Photonik der TU Wien. Trotzdem stellte man fest, dass das Verhalten bestimmter Molek\u00fclverb\u00e4nde, die bei der Photosynthese eine entscheidende Rolle spielen, nur quantenphysikalisch erkl\u00e4rbar ist.
\n\u201eDas Licht regt die Molek\u00fclverb\u00e4nde an und bringt sie auf ein h\u00f6heres Energieniveau\u201c, sagt J\u00fcrgen Hauer.<\/p>\n

\u201eQuantenphysikalisch ist es m\u00f6glich, dass sie zwei verschiedene Energien gleichzeitig annehmen.\u201c Solche \u00dcberlagerungen werden normalerweise sehr rasch zerst\u00f6rt, die klassische Physik erlaubt nur eindeutige Werte f\u00fcr die Energie, keine \u00dcberlagerung zweier Werte. Bei der Photosynthese (bei Raumtempteratur) \u00fcberleben diese Quanten-Zust\u00e4nde aber f\u00fcr die Dauer von hunderten Femtosekunden bei Raumtemperatur. Das ist f\u00fcr allt\u00e4gliche Ma\u00dfst\u00e4be zwar blo\u00df ein winziger Augenblick, auf quantenphysikalischen Zeitskalen ist das aber erstaunlich lange.<\/p>\n

\u201eDadurch dr\u00e4ngte sich nat\u00fcrlich die Frage auf, ob diese erstaunlich lang anhaltende Quanten-Koh\u00e4renz f\u00fcr die Effizienz der Photosynthese notwendig ist\u201c, sagt J\u00fcrgen Hauer. Er selbst war davon nicht \u00fcberzeugt: \u201eUnser Tageslicht ist kein Quanten-Licht, die Sonne ist kein Laser\u201c, erkl\u00e4rt Hauer. \u201eEs ist daher nicht wirklich nachvollziehbar, warum quantenphysikalische Koh\u00e4renz n\u00f6tig sein soll um das Licht optimal zu nutzen.\u201c<\/p>\n

Das Vibrieren der Molek\u00fcle<\/h3>\n

Chlorophylle oder andere Molek\u00fcle, die das Sonnenlicht umwandeln k\u00f6nnen, sind nicht zuf\u00e4llig verteilt, sondern finden sich zu Gruppen zusammen. Dadurch ist es m\u00f6glich, dass diese Molek\u00fcle gegeneinander vibrieren. In den Photonik-Labors der TU Wien wurde das mit einem Modellsystem untersucht. Um dem Mechanismus genau auf die Spur zu kommen, analysierte man keine lebenden Zellen, sondern ein \u00e4hnliches, k\u00fcnstlich hergestelltes und geordnetes System aus Cyaninfarbstoff-Molek\u00fclen.<\/p>\n

Dabei zeigte sich, dass Vibrationen eine ganz entscheidende Rolle spielen. \u201eDie Vibrationen koppeln verschiedene Energiezust\u00e4nde miteinander, man spricht von vibronischen Anregungen \u2013 Vibration und elektronische Zust\u00e4nde geh\u00f6ren untrennbar zusammen, sie werden ununterscheidbar\u201c, sagt J\u00fcrgen Hauer. Diese vibronische Kopplung erm\u00f6glicht den schnellen und nahezu verlustfreien Transfer der Lichtenergie in Lichtsammelkomplexen. Diese Molek\u00fclverb\u00e4nde werden durch das Licht zun\u00e4chst angeregt und in einen Zustand hoher Energie gebracht. \u00c4hnlich wie ein Ball auf einer Treppe von Stufe zu Stufe nach unten f\u00e4llt, muss die Energie Schritt f\u00fcr Schritt verringert werden, um in der Zelle genutzt werden zu k\u00f6nnen. Beim wichtigen ersten Schritt dieser Energie-Kaskade spielen die Vibrationen ihre entscheidende Rolle.<\/p>\n

Lernen von der Natur<\/h3>\n

J\u00fcrgen Hauer, der 2012 f\u00fcr seine Arbeit mit einem START-Preis des FWF ausgezeichnet wurde, m\u00f6chte mit seinen Experimenten die Tricks der Natur nutzbar machen. Biologische Zellen sind in den ersten Schritten der Verarbeitung von Lichtenergie deutlich effizienter als k\u00fcnstliche Solarzellen: neun von zehn Photonen werden in Bio-Systemen in elektrochemische Energie umgewandelt. In den sp\u00e4ter ablaufenden Schritten sinkt zwar die Effizienz, doch auch das hat seinen Sinn: Die Zelle gewinnt dadurch an Flexibilit\u00e4t und kann bei ganz unterschiedlichen Lichtverh\u00e4ltnissen \u00fcberleben. Ein besseres Verst\u00e4ndnis der nat\u00fcrlichen Photosynthese soll dazu f\u00fchren, dass k\u00fcnftige Generationen von Solarzellen \u00e4hnlich gute Eigenschaften haben wie die biologischen Kraftwerke der Zelle, die von der Evolution \u00fcber Milliarden Jahre optimiert worden sind.<\/p>\n

Die Ver\u00f6ffentlichung in Nature Communications ist das Produkt einer Kooperation zwischen sechs europ\u00e4ischen Forschungsgruppen aus Wien, Prag, Ulm, Lund, Berlin und Cartagena (Spanien).<\/p>\n

Originalpublikation: “Vibronic origin of long-lived coherence in an artificial molecular light harvester”<\/a><\/p>\n

Kontakt:<\/h3>\n

Dr. J\u00fcrgen Hauer
\nInstitut f\u00fcr Photonik
\nTechnische Universit\u00e4t Wien
\nGu\u00dfhausstr. 25-29, 1040 Wien
\nT: +43-1-58801-38733
\njuergen.hauer@tuwien.ac.at<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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