Phát hiện dấu hiệu của trạng thái vật chất thứ năm trong quang hợp

Ở cấp độ nguyên tử, quá trình quang hợp hoạt động giống với khi nhiệt độ giảm xuống gần độ 0 tuyệt đối, cho phép vận chuyển năng lượng mà không tốn ma sát.

Ở mức độ nguyên tử, quá trình quang hợp giống với trạng thái của nguyên tử khi được làm lạnh tới gần độ 0 tuyệt đối.

Ngoài trời, cây quang hợp và biến ánh nắng thành những chiếc lá mới. Còn trong phòng thí nghiệm, khi hạ nhiệt độ nguyên tử xuống độ 0 tuyệt đối (-273,15^oC), các nhà khoa học quan sát thấy một trạng thái kỳ lạ của vật chất. Tuy bề ngoài không có vẻ liên quan, song nghiên cứu mới đã thấy điểm chung giữa hai hiện tượng này, và chúng có thể giúp đưa ra cách thiết kế mới cho đồ điện tử.

Quang hợp là quá trình lá cây hấp thụ ánh nắng và chuyển đổi thành chất đường. Ở cấp độ nguyên tử, Mặt trời giải phóng các hạt năng lượng gọi là photon. Khi một photon va trúng lá cây, nó làm thay đổi một phân tử có cấu tạo đặc biệt, khiến cho một electron ở đó bật ra. Cái “lỗ” do electron mất đi tạo ra sẽ hút một electron khác ở gần đó để lấp chỗ. Cứ như vậy, electron và cái “lỗ” từng chứa nó di chuyển quanh lá và mang năng lượng Mặt trời đến một khu vực khác, nơi năng lượng đó kích hoạt phản ứng hóa học tạo ra chất đường cho cây. Cặp electron và lỗ này được gọi là một exciton.

Các nhà nghiên cứu ở Đại học Chicago, Mỹ, đã mô phỏng trên máy tính những tương tác phức tạp ở cấp độ phân tử khi quang hợp diễn ra, vì quá trình này không thể nhìn thấy bằng mắt thường. Khi mô phỏng và quan sát bao quát nhiều exciton di chuyển cùng lúc trong quá trình quang hợp, họ nhận thấy các exciton này di chuyển theo một lối đi có hình dạng đặc biệt quen thuộc. Thật vậy, cách di chuyển này trông giống hoạt động của chất liệu trong hiện tượng mà đôi khi được coi là “trạng thái vật chất thứ năm”.

Chúng ta thường nghe nói tới 4 trạng thái của vật chất quan sát được trong cuộc sống hằng ngày là rắn, lỏng, khí và plasma. Nhưng ở nhiệt độ ở mức gần độ 0 tuyệt đối, một hiện tượng lạ xuất hiện, đó là trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein, hay còn được gọi là trạng thái vật chất thứ năm. Khi ở trạng thái này, các exciton kết nối với nhau thành cùng một trạng thái lượng tử, giống như một bộ chuông cùng hòa nhịp gióng lên vậy. Điều này cho phép năng lượng di chuyển quanh vật liệu với ma sát bằng 0.

Những hoạt động kì lạ như thế này thường thu hút các nhà khoa học vì có thể dùng chúng để tạo ra các công nghệ rất ấn tượng. Ví dụ, tính siêu dẫn, một hiện tượng liên quan, là nền tảng của công nghệ chụp cộng hưởng từ.

Theo các nhà nghiên cứu, đây là lần đầu tiên có sự liên hệ giữa quang hợp và ngưng tụ exciton. Hiện tượng ngưng tụ mới chỉ được quan sát thấy khi vật liệu được làm lạnh hơn hẳn nhiệt độ phòng, trong khi quang hợp lại diễn ra ở nhiệt độ thường. Ngoài ra, bộ máy quang hợp có cấu trúc hỗn tạp, khác hẳn với cấu trúc vô cùng trật tự thường được dùng để tạo ra ngưng tụ exciton. Có thể nói phát hiện này đáng ngạc nhiên như việc thấy các viên đá có thể hình thành trong một cốc cà phê nóng vậy.

Hiện tượng diễn ra trong quang hợp không phải là sự biến đổi hoàn toàn, mà nó giống như hình thành các “đảo” ngưng tụ hơn. Tuy nhiên, như thế vẫn là đủ để tăng hiệu suất truyền năng lượng của hệ thống này.

Theo mô hình, hiện tượng này có thể giúp quang hợp hiệu quả gấp đôi. Hiểu biết mới mở ra khả năng chế tạo các chất liệu tổng hợp trong tương lai bởi vì một trạng thái giúp tăng hiệu quả như thế này vẫn có thể diễn ra ở điều kiện thực tế chứ không nhất thiết đòi hỏi điều kiện đặc biệt như các nhà khoa học đã nghĩ từ trước tới nay.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí PRX Energy.

Khoahocphattrien