La photosynthèse est le processus par lequel les plantes convertissent la lumière du soleil en énergie et repose sur un système de transfert d’énergie extrêmement efficace. Avant de pouvoir être convertie en énergie chimique, l’énergie lumineuse doit d’abord être captée et transmise, un processus qui se produit presque instantanément et avec une perte d’énergie minimale. Une nouvelle étude de la Chaire de spectroscopie dynamique de l'Université technique de Munich (TUM) révèle que les effets de la mécanique quantique jouent un rôle crucial dans ce processus de transfert d'énergie.
Grâce à des mesures et des simulations précises, une équipe de recherche dirigée par les professeurs Erika Keil et Jürgen Hauer a révélé comment ces effets quantiques augmentent l'efficacité de la photosynthèse.
Exploiter efficacement l’énergie solaire et la stocker sous forme d’énergie chimique constitue depuis longtemps un défi pour les ingénieurs. Cependant, la nature a résolu ce problème il y a des milliards d’années. Une nouvelle étude montre que la mécanique quantique n’est pas seulement un concept réservé aux physiciens, mais qu’elle joue également un rôle crucial dans les processus biologiques.
Les plantes vertes et autres organismes photosynthétiques utilisent la mécanique quantique pour capter et transmettre la lumière solaire avec une efficacité extraordinaire. Comme l'explique le professeur Jürgen-Hauer : « Lorsque la lumière est absorbée par une feuille, par exemple, l'énergie d'excitation électronique est distribuée sur plusieurs états de chaque molécule de chlorophylle excitée ; c'est ce qu'on appelle la superposition d'états excités. Il s'agit de la première étape d'un transfert d'énergie presque sans perte à l'intérieur et entre les molécules, permettant une transmission efficace de l'énergie solaire vers l'avant.
Le processus de transfert d'énergie de la chlorophylle, qui ne peut être compris de manière satisfaisante par la seule physique classique, se produit en continu dans les plantes vertes et d'autres organismes photosynthétiques (tels que les bactéries photosynthétiques). Cependant, le mécanisme exact reste incomplètement élucidé. Hall et la première auteure Erica Kyle pensent que leur étude jette de nouvelles bases importantes pour élucider le fonctionnement de la chlorophylle, le pigment de la chlorophylle.
L’application de ces résultats à la conception de dispositifs de photosynthèse artificielle pourrait aider à exploiter l’énergie solaire pour produire de l’électricité ou mener des recherches photochimiques avec une efficacité sans précédent.
Dans cette étude, les chercheurs ont examiné deux segments spectraux spécifiques dans lesquels la chlorophylle absorbe la lumière : la région Q de faible énergie (plage spectrale du jaune au rouge) et la région B de haute énergie (plage spectrale du bleu au vert). La région Q se compose de deux états électroniques différents couplés par la mécanique quantique. Ce couplage conduit à un transfert d'énergie sans perte dans la molécule. Le système se détend ensuite en « refroidissant » (c'est-à-dire en libérant de l'énergie sous forme de chaleur). Cette étude montre que les effets de la mécanique quantique peuvent avoir une influence décisive sur les processus biologiquement pertinents.
Compilé à partir de /ScitechDaily