Lần đầu tiên khoa học tìm ra mối liên kết giữa quang hợp và “trạng thái thứ năm của vật chất”

Tưởng như không liên quan, quang hợp và trạng thái ngưng đọng Bose-Einstein lại có những điểm tương đồng đáng để nghiên cứu.

Bên trong phòng thí nghiệm, các nhà khoa học ngỡ ngàng trước trạng thái vật chất chỉ xuất hiện khi các nguyên tử bị đặt trong môi trường gần nhiệt độ 0 tuyệt đối. Bên ngoài cánh cửa sổ đầy nắng, thực vật vẫn miệt mài hấp thụ ánh sáng Mặt trời để tạo nên lá mới.

Hai hiện tượng dường như không liên quan… cho đến khi một báo cáo tới từ Đại học Chicago xuất hiện. Nhóm nghiên cứu tới từ Hoa Kỳ cho rằng những quá trình phức tạp này không mấy khác nhau.

Quang hợp và trạng thái ngưng đọng Bose-Einstein có nhiều điểm giống nhau.

Trong nghiên cứu xuất bản trên PRX Energy hồi cuối tháng Tư vừa rồi, họ đã phát hiện ra liên kết ở mức nguyên tử giữa quá trình quang hợp và ngưng đọng exciton - là một trạng thái vật lý kỳ lạ cho phép năng lượng chảy trong vật chất mà không chịu tác động của ma sát. Theo lời các tác giả nghiên cứu, phát hiện mới có thể giúp chỉ ra những hướng đi mới trong thiết kế đồ điện tử.

“ Theo những gì chúng tôi biết, những lĩnh vực này chưa từng được liên kết với nhau, bởi lẽ đó chúng tôi thấy thú vị lắm ”, đồng tác giả nghiên cứu, Giáo sư David Mazziotti cho hay.

Phòng thí nghiệm của ông Mazziotti chuyên dựng mô hình mô tả những tương tác phức tạp của nguyên tử và phân tử, khi chúng bộc lộ những đặc tính khác thường. Vì mắt người thường không thể quan sát những tương tác này, một mô hình giả lập sẽ giúp các nhà khoa học tìm ra nguyên do xuất hiện những tương tác kỳ lạ, đồng thời đặt nền móng cho công nghệ tương lai.

Cụ thể, giáo sư Mazziotti và hai đồng tác giả nghiên cứu khác, Anna Schouten và LeeAnn Sager-Smith, dựng mô hình mô tả tương tác của phân tử trong quá trình quang hợp.

Giáo sư David Mazziotti công tác tại Đại học Chicago.

Khi photon từ Mặt trời chạm bề mặt lá, chúng tạo ra thay đổi trong một phân tử có cấu trúc đặc biệt. Năng lượng sẽ đánh bật một electron ra khỏi cấu trúc hạt của vật chất, sau đó electron đó và “cái lỗ” từng chứa electron di chuyển tự do quanh chiếc lá, mang theo năng lượng Mặt trời tới một khu vực khác, nơi nó gây ra một phản ứng hóa học và tạo ra đường cho cây.

Electron tự do và “cái lỗ” kia ghép thành một cặp, được gọi là “exciton”. Khi nhóm nghiên cứu quan sát quá trình quang hợp và dựng mô hình cách các exciton di chuyển, họ phát hiện ra điều kỳ lạ. Họ thấy cách di chuyển của các exciton tuân theo những mẫu hình của quen thuộc.

Thực tế, di chuyển của exciton rất giống hành vi của vật chất có tên gọi “ngưng đọng Bose-Einstein”, hay cũng được gọi là “trạng thái thứ năm của vật chất”. Trong trường hợp này, các exciton có thể liên kết với nhau để đi vào trạng thái chồng chập lượng tử - có thể so sánh electron và cái lỗ kể trên với một cặp chuông, có thể đồng điệu rung lên dù đang được treo ở bất kỳ đâu.

Trạng thái này cho phép năng lượng di chuyển trong vật chất mà không bị cản lại. Vốn dĩ, các nhà khoa học để tâm tới hiện tượng này bởi lẽ chúng có thể là khởi đầu cho những đột phá trong công nghệ, đơn cử như trạng thái siêu dẫn đã mở đường cho công nghệ chụp cộng hưởng từ.

Satyendra Nath Bose (trái và) Albert Einstein (phải), với những nghiên cứu đặt nền móng cho vật lý lượng tử. Ngưng đọng Bose-Einstein được đặt theo tên hai nhà khoa học để vinh danh công lao của họ.

Theo mô hình được nhóm nghiên cứu dựng lên, các exciton trong lá cây có thể liên kết giống với trạng thái ngưng đọng Bose-Einstein. Điều này khiến các nhà khoa học bất ngờ, bởi lẽ trạng thái ngưng đọng vốn chỉ xuất hiện khi vật chất được làm lạnh xuống mức gần độ 0 tuyệt đối, nơi các hạt nguyên tử di chuyển chậm lại một cách đáng kể.

“ Quá trình quang hợp diễn ra trong một hệ thống được đặt trong nhiệt độ phòng, và hơn nữa, cấu trúc của [thực vật] rất hỗn loạn - không hề giống với cấu trúc tinh thể được làm lạnh, vốn được dùng để nghiên cứu ngưng đọng exciton ”, nhà nghiên cứu Schouten giải thích.

Tuy nhiên, hiệu ứng này không diễn ra ở mọi vị trí trên cây, dường như hiện tượng ngưng đọng diễn ra ở từng khu vực biệt lập, nhưng theo nhóm chuyên gia, “ từng đó là đã đủ để tăng cường khả năng truyền tải năng lượng trong hệ thống ”. Thực tế, mô hình giả lập cho thấy hiệu năng truyền tải năng lượng có thể được nhân lên gấp đôi.

Giáo sư Mazziotti cho rằng phát hiện này mở ra khả năng chế tạo nguyên liệu tổng hợp có thể dùng trong đồ điện tương lai. “ Trạng thái ngưng đọng exciton lý tưởng lại rất nhạy cảm và yêu cầu nhiều điều kiện đặc biệt, nhưng khi xét đến khả năng ứng dụng thực tế, thật vui khi thấy khả năng [tăng hiệu năng truyền tải năng lượng] có thể diễn ra ở điều kiện thường ”, ông nhận định.

Nghiên cứu được hậu thuẫn một phần bởi Viện Thử thách Bước nhảy Lượng tử, trực thuộc Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ.

• Phát hiện mới: "Quang hợp nghịch" giúp giảm ô nhiễm
• Các nhà khoa học tạo ra một trạng thái vật chất mới – vừa rắn vừa lỏng
• Kim cương đỏ - Loại kim cương hiếm nhất thế giới

Từ khóa liên quan:

quá trình quang hợp

trạng thái thứ 5 của vật chất

trạng thái ngưng đọng Bose-Einstein

ngưng đọng exciton

David Mazziotti

Anna Schouten

LeeAnn Sager-Smith