研究发现光合作用和"第五物质状态"之间的联系

芝加哥大学的科学家们发现了光合作用和激子凝聚体之间的联系，这是一种允许能量在没有摩擦的情况下流动的物理学状态。这一令人惊讶的发现，通常与远低于室温的材料有关，可能为未来的电子设计提供信息，并帮助解开复杂的原子相互作用。

在一个实验室里，科学家们惊叹于当他们将原子冷却到接近绝对零度时形成的一种奇怪状态。在他们的窗外，树木收集阳光并将其转化为新叶。这两者似乎毫无关联--但芝加哥大学的一项新研究表明，这些过程并不像表面上看起来那么不同。

4月28日发表在《PRX能源》上的这项研究发现，光合作用和激子凝聚物之间在原子水平上存在联系--这是一种奇怪的物理状态，允许能量无摩擦地流经一种材料。作者说，这一发现在科学上是引人入胜的，并可能为设计电子产品提出新的思路。

研究报告的共同作者David Mazziotti教授说："据我们所知，这些领域以前从未被联系起来，所以我们发现这非常引人注目和令人兴奋。"

Mazziotti的实验室专门研究原子和分子的复杂相互作用的模型，因为它们显示出有趣的特性。没有办法用肉眼看到这些相互作用，所以计算机建模可以给科学家提供一个窗口，了解这些行为发生的原因--也可以为设计未来的技术提供一个基础。

特别是，Mazziotti和研究的共同作者Anna Schouten和LeeAnn Sager-Smith一直在模拟光合作用发生时在分子水平上发生的情况。

当来自太阳的光子照射到一片叶子上时，它在一个特别设计的分子中引发了变化。能量击碎了一个电子。这个电子和它曾经所在的"洞"现在可以在叶子周围旅行，把太阳的能量带到另一个区域，在那里引发化学反应，为植物制造糖分。

这种移动的电子和空穴对被称为"激子"。当研究小组以鸟瞰的方式模拟多个激子如何移动时，他们注意到一些奇怪的现象。他们在激子的路径上看到了看起来非常熟悉的模式。

事实上，它看起来非常像一种被称为玻色-爱因斯坦凝聚物的材料中的行为，有时被称为"物质的第五态"。在这种材料中，激子可以连接成相同的量子状态，就像一组铃铛都在完美地敲响。这允许能量以零摩擦在材料中移动。(这些奇怪的行为让科学家们感到好奇，因为它们可以成为卓越技术的种子--例如，一种叫做超导的类似状态是核磁共振机器的基础)。

他们在激子的路径中看到的模式看起来非常熟悉。

根据Schouten、Sager-Smith和Mazziotti创建的模型，叶子中的激子有时可以以类似激子凝聚物行为的方式连接起来。只有当材料被冷却到明显低于室温时，才会看到激子凝聚物。这就有点像在一杯热咖啡中看到冰块的形成。

Schouten解释说："光合作用采光是在一个处于室温的系统中进行的，更重要的是，它的结构被破坏了--与用来制造激子凝聚物的原始结晶材料和低温非常不同。"

科学家们说，这种效应并不完全是--它更像是形成凝结物的"岛屿"，但这仍然足以增强系统中的能量转移。事实上，他们的模型表明，它的效率可以提高一倍之多。

Mazziotti说，这为生成未来技术的合成材料提供了一些新的可能性。"一个完美的理想激子凝结物是敏感的，需要很多特殊的条件，但是对于现实的应用来说，看到一些能提升效率但能在环境条件下发生的事情是令人兴奋的。"这一发现也与他的团队十年来一直在探索的一个更广泛的方法有关。

在光合作用等过程中，原子和分子之间的相互作用是非常复杂的，甚至对超级计算机来说都很难处理，因此科学家们传统上不得不简化他们的模型，以便掌握它们。但是Mazziotti认为有些部分需要被保留下来："我们认为电子的局部关联对于捕捉自然界的实际运作方式至关重要。"