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- 양자 물리적 중첩은 광합성 중 에너지 전달을 최적화
- 태양광이나 태양광 전지를 사용해 물을 직접 분해하는 것을 최적화하는 데 응용 가능

식물의 양자 트릭이 밝혀졌다.
양자 물리적 중첩은 광합성 중 에너지 전달을 최적화한다.

녹색 비밀:
식물도 광합성에 양자 물리학의 중첩 원리를 사용한다. 실험 결과, 태양에너지는 엽록소를 통해 거의 즉시 손실 없이 전달된다. 이는 여러 가지 들뜬 상태의 중첩을 초래하고, 이를 통해 에너지가 수 피코초 내에 전달된다. 연구자들이 보고한 바에 따르면, 이 양자역학적 "트릭"은 광합성을 비교할 수 없을 정도로 효율적으로 만들었으며 기술에도 도움이 될 수 있다. 

▲ 식물은 광합성 중에 양자 물리 효과를 사용한다. 이 그림은 엽록소 용액을 테스트하는 모습을 보여준다. © Andreas Heddergott / TU 뮌헨

광합성은 지구 생명의 기초다. 식물이 자라고, 유기물을 만들고, 산소를 방출한다. 이러한 현상의 기본은 햇빛 에너지가 에너지가 풍부한 화학 분자로 전환되는 복잡한 과정이다. 이런 일이 일어나는 가장 중요한 장소는 녹색 식물 색소인 엽록소에 있는 빛을 수확하는 복합체다. 그곳에서 방사선 에너지는 물을 분해하는 데 사용되어 일련의 화학 반응의 첫 번째 단계를 시작한다.

"엽록소는 에너지 전달과 전하 분리에 필수적인 역할을 하며, 따라서 광합성의 첫 단계에서도 중요한 역할을 한다"고 뮌헨 공과대학의 에리카 케일과 그녀의 동료들이 설명했다. 태양광 에너지는 엽록소 분자에 전기적 자극을 일으키고, 이 자극은 여러 단계를 거쳐 최종적으로 전환된다. 실험과 모델을 통해 이러한 에너지 전달은 실질적으로 손실 없이 매우 빠르게 이루어진다는 것이 밝혀졌다.

흥분된 엽록소에 대한 초고속 보기

하지만 식물은 어떻게 이런 일을 하는가? 이를 명확히 하기 위해, 케일과 그녀의 팀은 이제 엽록소에서의 에너지 전달을 더 자세히 조사했다. 이를 위해 그들은 식물 광합성 분자에 두 가지 스펙트럼 범위의 빛을 조사했다. 가시광선의 황록색에서 빨간색 부분에 해당하는 저에너지 Q 범위와, 청색광 스펙트럼의 고에너지 B 범위다. 두 영역 모두에서 서로 다른 들뜬 상태 사이의 에너지 전달이 발생한다.

연구진은 실험에서 고속 분광기를 사용하여 방사선 조사 후 이들 들뜬 상태 사이에서 에너지가 어떻게 전달되는지, 그리고 이것이 얼마나 빨리 일어나는지 분석했다. 이전 실험에서처럼, 고에너지 B 상태가 약 100펨토초에 걸쳐 Q 영역의 저에너지 들뜬 상태로 에너지를 전달하는 것으로 나타났다.

중첩된 들뜬 상태

하지만 Q 범위 내에서 새로운 것이 나타났다. 분광기 데이터와 추가 시뮬레이션 모두 Q 범위 내에서 에너지 전달이 거의 즉각적으로 발생하고 중첩의 전형적인 특징을 보인다는 것을 시사했다. 따라서 두 개의 전자 Q 상태는 케일과 그녀의 동료들이 발견했듯이 양자역학적으로 결합되어야 한다.

이는 두 상태 사이에 양자적 물리적 중첩을 만들어내어 매우 빠르고 효과적인 에너지 전달이 가능해진다. 연구팀은 또한 엽록소의 B 영역 내에서 일어난 이전 에너지 전달에 대해서도 비슷한 현상을 관찰했다. "이것은 분자 내에서 손실 없는 에너지 전달의 첫 번째 단계이며 태양 에너지의 효율적인 추가 전달이다"고 뮌헨 공과대학의 수석 저자 위르겐 하우어가 설명했다. "따라서 양자 역학은 에너지와 전하 전달의 첫 단계를 이해하는 데 핵심이다.“

▲ 연구팀은 엽록소를 특별히 자극(여기서는 시험관의 용액)하고 분광 측정을 사용해 에너지가 어떻게 전달되는지 추적했다. © Andreas Heddergott / TU 뮌헨

기술 솔루션에도 적용되나?

이러한 결과는 식물이 햇빛을 포착할 때 양자 물리 효과를 사용한다는 것을 보여준다. 따라서 양자 물리학은 광합성과 같은 생물학적으로 중요한 과정에 결정적인 영향을 미치고 최적화할 수도 있다. 연구자들에 따르면, 이것은 자연이 수십억 년 전에 태양에너지를 저장 가능한 화학 에너지로 효율적으로 전환하는 등의 기술적 문제를 얼마나 완벽하게 해결했는지를 보여준다.

자연의 이러한 "양자적 속임수"에 대한 지식은 이제 인간의 에너지 생산을 보다 효율적으로 만드는 데 도움이 될 수 있다. 만약 이러한 에너지 전달 형태를 기술적으로 모방하는 것이 가능하다면, 아마도 태양광이나 태양광 전지를 사용하여 물을 직접 분해하는 것을 최적화하는 데 도움이 될 수 있을 것이다.
(Chemical Science, 2024; doi: 10.1039/D4SC06441K)
출처: Technische Universität München

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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