فتوسنتز، فرآیندی است که جذب انرژی در ارگانیسم‌های سبز را تحریک و برای جلوگیری از اتلاف انرژی، از مکانیک کوانتومی پیچیده استفاده می‌کند. این پیوند بین رویدادهای مولکولی و فیزیک پیشرفته، زمانی دور از ذهن به نظر می‌رسید، اما نتایج تحقیقات جدید تصورات را تغییر داده است.

حالت‌های مولکولی شکننده، قدرت بیشتر از حد انتظار دارند و نتایج بررسی مولکول‌های کلروفیل نشان می‌دهد که الکترون‌ها در سطوح مختلف انرژی به روشی نامحسوس حرکت می‌کنند. این مورد زمانی اتفاق می‌افتد که نور وارد برگ و باعث ایجاد تغییرات الکترونیکی در داخل هر رنگدانه می‌شود و سیستم به جای پراکندگی انرژی، مسیرهایی را پیدا می‌کند که تلفات را به حداقل می‌رساند.

آیا پنل‌های خورشیدی می‌توانند بهره‌وری انرژی برگ را تقلید کنند؟

اصل برهم‌نهی، اجازه می‌دهد که انرژی در چندین پیکربندی الکترونیکی همپوشانی داشته باشد و این همپوشانی‌ها توضیح می‌دهند که چرا برگ‌ها می‌توانند انرژی را به‌طور موثر به مراکز واکنش منتقل کنند اما آیا پنل‌های خورشیدی می‌توانند بهره‌وری انرژی برگ را تقلید کنند؟ ارائه‌کنندگان پنل‌های خورشیدی، رویای تقلید از انتقال انرژی طبیعی در برگ‌ها را در سر می‌پرورانند. راهبردهای اساسی مشابه گیاهان ممکن است به بهبودی دستگاه‌هایی منجر شود که با انعکاس، گرما و سایر موانع مقابله می‌کنند.

طبیعت از رنگدانه‌ها برای برداشت نور در طیف وسیعی از طول موج‌ها استفاده می‌کند. هدف محققان ایجاد آنالوگ‌های مصنوعی با پوشش طیفی بهتر و حداقل تلفات است. برخی از سیستم‌ها به مولکول‌های آلی تخصصی وابسته هستند که برای تقلید از کلروفیل طراحی شده‌اند. برخی دیگر به دنبال ترکیب اجزای بیولوژیکی با داربست‌های ساخت بشر برای تشکیل سلول‌های خورشیدی هیبریدی هستند.

انسجام کوانتومی؛ کلید کارایی فتوسنتز برگ‌ها

فیزیک کلاسیک به تنهایی نمی‌تواند به‌طور کامل سرعت و کارایی برداشت نور را توضیح دهد و دانشمندان گمان می‌کنند که انسجام کوانتومی، حتی اگر کوتاه‌مدت باشد، به هدایت انرژی از طریق یک مسیر بهینه کمک می‌کند. انسجام به این معنی است که امواج الکترونی به اندازه کافی هماهنگ باقی می‌مانند تا انتقال انرژی را هدایت کنند.

دانشمندان جذب کلروفیل در برگ‌های گیاه را به دو ناحیه اصلی به نام های باند کیو(Q) و بی(B) دسته‌بندی می‌کنند. هر برگ از این مناطق برای گرفتن طول موج‌های مختلف استفاده و به کلروفیل اجازه می‌دهد تا نور را از قسمت‌های مختلف طیف خورشیدی جمع‌آوری کند. آنان باید داده‌های پیچیده را غربال کنند، زیرا مولکول‌های کلروفیل در حین انتقال انرژی ارتعاش و چرخش دارند. مدل‌سازی دقیق به تفسیر سیگنال‌ها و از بین بردن حالت‌های همپوشانی کمک می‌کند.

گیاهان اغلب الهام‌بخش راهبردهای جدید در آزمایشگاه هستند؛ دانشمندان نمونه‌های اولیه می‌سازند تا دریابند چگونه می‌توانند از همان ویژگی‌های کوانتومی موجود در برگ‌ها استفاده کنند. یک ایده این است که رنگدانه‌های مصنوعی را در آرایه‌های تخصصی قرار دهیم که آرایش کلروفیل را در یک مجتمع فتوسنتزی تقلید می‌کنند. روش دیگر این است که چنین رنگدانه‌هایی را در مواد قدرتمند قرار دهیم و سیستم‌هایی پایدار برای جذب نور ایجاد کنیم. اگرچه هنوز هیچ وسیله‌ای نمی تواند با کارایی برگ برابری کند، پیشرفت در کنترل برهم‌کنش‌های مولکولی، مسیری رو به جلو را نشان می‌دهد و هدف نهایی تکرار انتقال انرژی تقریبا کامل طبیعت در مقیاس‌های بزرگتر است.

افزایش تقاضای جهانی برای انرژی‌های تجدیدپذیر

نتایج تحقیق منتشرشده در نشریه علوم شیمی نشان داد، تقاضای جهانی برای انرژی‌های تجدیدپذیر به شدت افزایش یافته است. پنل‌های خورشیدی جایگزین قابل اعتمادی برای سوخت‌های فسیلی هستند، اما بهبود همیشه مورد استقبال قرار می‌گیرد. درک رفتار کوانتومی در ساختارهای برگ ممکن است نرخ جذب خورشیدی را افزایش، هزینه‌ها را کاهش و خروجی را افزایش دهد. افزایش بهره‌وری به معنای انرژی بیشتر از نور خورشیدی کمتر است که سودی ارزشمند برای هر منطقه محسوب می‌شود.

دستگاه‌های کوانتومی را نیز می‌توان برای محیط‌های نوری خاص طراحی کرد، دقیقا مانند گیاهانی که در سایه یا آفتاب درخشان رشد می‌کنند. مهندسان پتانسیل سیستم‌های انعطاف‌پذیری را می‌بینند که با شرایط متغیر سازگار شوند. دانشمندان هنوز در مورد اینکه این حالت‌های کوانتومی در شرایط طبیعی بیولوژیکی چقدر دوام می‌آورند، بحث می‌کنند. برخی از اندازه‌گیری‌ها به تداوم انسجام بیش از حد انتظار اشاره می‌کنند، در حالی که برخی دیگر دوره‌های بسیار کوتاه را پیدا می‌کنند.

بسیاری گمان می‌کنند که محیط پروتئینی اطراف کلروفیل، کیفیت را به اندازه کافی برای هدایت انرژی پایدار نگه می‌دارد. محققان همچنین در حال بررسی چگونگی تاثیر عوامل محیطی مانند دما و هیدراتاسیون بر جریان انرژی هستند. این دانش ممکن است فناوری خورشیدی را برای اقلیم‌های مختلف شکل دهد. تحقیقات فتوسنتزی افراد را تشویق می‌کند تا با به برگ‌ها نگاه ویژه داشته باشند و توانایی آن‌ها در جمع‌آوری نور خورشید با دقت خیره‌کننده ممکن است پیشرفتی برای آینده‌ای پایدارتر باشد.

نتایج مقاله «انرژی خورشیدی و کاربرد نانوتکنولوژی در انرژی خورشیدی» منتشرشده در پایگاه علمی جهاد دانشگاهی نشان داد که انرژی خورشید از منابع تامین انرژی رایگان، پاک و عاری از اثرات مخرب زیست‌محیطی است. با توجه به بحران انرژی و کاهش آلودگی و صرفه‌جویی در مصرف انرژی و کنترل عرضه و تقاضا می‌تواند جایگزین بسیار مناسبی باشد.

انتهای پیام