更高效的太阳能

时间：2022-03-30 14:16:23 来源：

根据对自然光合作用的新见识启发的研究表明，利用基于量子力学的微小分子电路，可以更有效地收集太阳能并进行更长距离的运输。UCL的科学家结合了有关植物，藻类和某些细菌如何利用量子力学通过光合作用优化能量生产的最新研究成果，从而阐明了如何设计比计算机处理器中最细的电线小10倍的分子电路。该报告发表在《自然化学》上，讨论了微小的分子能源网格如何捕获，引导，调节和放大原始太阳能。

太阳能的生产主要是由光被分子集合吸收而产生的能量。该电子激发随后被转移至合适的受体。例如，在光合作用中，天线复合体捕获阳光并将能量引导至反应中心，然后再进行相关的化学反应。

在光合作用中，叶绿素捕获阳光并将能量引导至有助于制造氧气和糖的特殊蛋白质。原则上，这与太阳能电池没有什么不同。

在自然系统中，来自阳光的能量被称为染料或颜料的有色分子捕获，但仅存储了十亿分之一秒。这几乎没有时间将能量从颜料传递到产生燃料或电力的分子机械。

快速转移和存储能量的关键是利用仅由几十种颜料组成的触角的集体量子特性。

最近的研究已经发现，在光合作用的光捕获阶段，不同颜料的激发态之间存在量子相干和纠缠。尽管光合作用的这一阶段非常高效，但仍不清楚这些量子效应如何或是否相关。

UCL物理与天文学系论文的合著者Alexandra Olaya-Castro博士说：“在晴朗的晴天，每秒有超过一亿亿个红色和蓝色的光子撞击叶子。”

在这些条件下，植物不仅需要能够利用生长所需的能量，而且还必须摆脱有害的多余能量。快速且有规律地传递能量是自然采光系统的两个关键特征。

“通过确保能量转移过程中涉及的所有相关能量规模或多或少相似，自然触角设法将量子现象与经典现象结合起来，以确保有效，有规律地捕获，分配和储存太阳能量。”

从自然界汲取的关于使用纳米天线集中和分配太阳能的经验教训的摘要：

天线的基本组件是有效的光吸收分子。

通过将吸光分子靠在一起，可以充分利用它们的集体特性。这将使它们利用量子力学原理，从而使天线能够：i）吸收不同的颜色； ii）创建能量梯度以促进单向传递； iii）可能利用量子相干性进行能量分配。

确保能量转移过程中涉及的相关能量规模或多或少会产生共振。这将保证经典和量子转移机制都可以结合在一起，以产生有规律的有效能量分配。