量子热机描述的光合效应中激发能输运机理研究

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由于能源的巨大消耗,开发新型清洁的替代能源已成为一个全球性重要课题。光合生物中原初过程近乎百分之百的光电转换效率、对环境无任何附带物的特点吸引了全球研究者的目光。如果能有效地模拟自然界中的光合作用能量输运过程、揭示其背后的物理机制并加以很好的利用,将有望解决我们当前能源问题。最近实验研究发现量子纠缠存在于光合作用中、且环境引起位点能量的关联涨落能够增强激发能输运。但是,量子纠缠对光合效应输运效率以及位点能量的关联涨落在激发能输运过程角色区分问题,并未得到澄清。本文采用量子热机功能转换方式描述了光合效应中激发能输运过程;具体研究了两个相邻色素分子间中的量子纠缠以及位点能量的关联涨落角色的不同对光合过程中激发能输运性能的影响。具体如下:1、研究了两个相邻色素分子中量子纠缠对激子输运和光合特性的辅助作用。我们通过一个光合量子热机模型,通过电荷分离态的动力学演化行为、电流—电压(j-V)输出特性以及输出功率来表征量子纠缠的辅助功能。此外我们也探索了环境温度对光合特性的影响。结果表明:(1)在相同环境的温度下,量子纠缠强度的增加促进了电荷分离态的布居率,电流-电压以及功率的输出,尤其与无量子纠缠的情况相比,量子纠缠具有更强的激子输运动力学行为。(2)在相同的量子纠缠强度下,适当的温度可以增强光合特性的输出。因此适当调节量子纠缠强度与环境温度之间的关系是该光合系统有效光合性能的关键。2、人们都认为不同的色素分子对激发能量转移(EET)的贡献是相同的,但是真实情况是不同的。为了证实这个猜测,我们研究相邻两个色素分子中位点能量的相关涨落来探讨不同位点能量在激发能转移(EET)中的作用,以一个光合量子热机为模型,通过电流-电压(j-V)和功率输出特性进而分析不同位点对激发能输运(EET)的影响。结果表明:(1)激发能转移(EET)先升后降的现象是由于吸收太阳光子的色素分子Site 1处的涨落所引起的。(2)在研究Site 2的相关涨落时,输出端不同的间隙能的差异对EET有积极的影响。(3)Site 2的相关涨落比Site 1的相关涨落更小,EET过程也急剧减少。(4)位点2比位点1(即吸收光子的色素分子)对相关涨落更敏感,进而证实了不同色素分子对EET的贡献不同。通过上述研究结果,我们不仅证实了量子纠缠可以增强光合特性的输出,还验证了不同色素分子对EET的贡献不同。这些结果可以为人工仿生器件的设计提供一些理论基础,进而解决有关化石能源消耗所带来的影响,实现可持续能源发展。
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