سلطت دراسة جديدة الضوء على كيفية نقل النباتات الخضراء والكائنات الحية الضوئية الأخرى للطاقة الشمسية بكفاءة عالية، مبرزة دور ميكانيكا الكم في تمكين انتقال الطاقة من امتصاص الضوء إلى تخزينه في شكل طاقة كيميائية دون خسارة تُذكر، وهي ظاهرة حاول المهندسون تكرارها لعقود لتسخير الطاقة النظيفة.
ويقول البروفيسور يورجن هاور، أحد مؤلفي الدراسة، إن امتصاص الضوء في ورقة، على سبيل المثال، يؤدي إلى توزيع طاقة الإثارة الإلكترونية على عدة حالات لكل جزيء كلوروفيل متحمس، وهي ظاهرة تُعرف بتراكب الحالات المثارة.
ويعد هذا التراكب المرحلة الأولى من عملية نقل الطاقة شبه الخالية من الخسارة داخل الجزيئات وبينها، مما يتيح النقل الفعّال للطاقة الشمسية. ويؤكد هاور أن ميكانيكا الكم تشكل عنصرًا جوهريًا لفهم الخطوات الأولى لنقل الطاقة وفصل الشحنات.
منذ زمن بعيد، أظهرت النباتات والبكتيريا الضوئية كفاءة في تحويل الطاقة، وهي كفاءة يصعب تفسيرها استنادًا إلى الفيزياء التقليدية. وتسعى الدراسة إلى كشف سر هذه العملية، موضحة كيف يجعل الكلوروفيل، الصبغة التي تمنح الأوراق لونها الأخضر، عملية حصاد الضوء أكثر فاعلية.
ويشير هاور والمؤلفة الأولى إيريكا كيل إلى أن النتائج تساهم في حل لغز كيفية حدوث انتقال الطاقة على المستوى الكمومي، وهي معرفة قد تساعد الباحثين في تطوير وحدات التمثيل الضوئي الاصطناعي لاستغلال الطاقة الشمسية بكفاءة غير مسبوقة.
من خلال التركيز على قسمين من طيف امتصاص الكلوروفيل، حلل الباحثون منطقة Q ذات الطاقة المنخفضة (من الأصفر إلى الأحمر) ومنطقة B ذات الطاقة العالية (من الأزرق إلى الأخضر).
وأظهرت النتائج أن التفاعل الميكانيكي الكمومي بين حالتين إلكترونيتين وثيقتي الصلة في منطقة Q يلعب دورًا رئيسيًا في تقليل الخسائر أثناء نقل الطاقة.
عند الاسترخاء، يطلق النظام المثار الحرارة، حيث تمثل خطوة “التبريد” هذه انتقالًا حاسمًا من حالة نشطة إلى حالة طاقة أقل دون فقدان يُذكر.
وقد جمع الفريق بين التحليل الطيفي البصري الثابت المتحكم فيه بالاستقطاب والتحليل الطيفي البصري فائق السرعة لدراسة هذه العمليات في الكلوروفيل أ.
وبدعم من النماذج الحسابية، توصل الباحثون إلى أن الطاقة تتدفق في إطار زمني يبلغ نحو 100 فيمتوثانية (جزء من كوادريليون من الثانية).
كما وجدوا أن حالة وسيطة تُعرف بـ(Qx) تستمر أقل من 30 فيمتوثانية، لكنها تلعب دورًا محوريًا في ربط الطاقة بين منطقتي B وQ، مما يسهم في توفير مسار خالٍ تقريبًا من الخسارة لنقل الطاقة.
ويشير هاور إلى أن “الطبيعة وجدت حلاً مثالياً” لتحويل المدخلات الشمسية إلى طاقة كيميائية، موضحًا أن فهم التفاعل المعقد بين الحالات الكمومية في الكلوروفيل قد يساعد العلماء على تصميم تقنيات أكثر كفاءة لتوليد الكهرباء أو تنفيذ تفاعلات كيميائية ضوئية.
ورغم استمرار البحث في هذه الآليات، يرى المؤلفون أن هذه النتائج تمثل خطوة مهمة نحو تكرار إنجازات الطبيعة، مما قد يمهد الطريق أمام حلول متطورة للطاقة المتجددة.
ومن خلال كشف آليات عمل النباتات على المستوى دون الذري، قد تفتح الدراسة آفاقًا جديدة لابتكارات مستقبلية في مجال التقاط الطاقة الشمسية.
اترك تعليقاً