Quantenphysik

Künstliche Photosynthese

An der TU Wien wurden Quanteneffekte untersucht, die bei der Photosynthese wichtig sind. Wie sich zeigt, spielen molekulare Vibrationen eine zentrale Rolle.

Die untersuchten makromolekularen Aggregate – 15 nm im Durchmesser, bis zu hunderte Mikrometer lang. (Bild: TU Wien)

Die Natur ist nicht dumm. Mit beeindruckender Effizienz können Pflanzen oder Bakterien das Licht der Sonne für die Photosynthese nutzbar machen. Seit Jahren wird diskutiert, ob Quanteneffekte für diese Effizienz verantwortlich sind. Man beobachtete nämlich, dass Moleküle bei der Photosynthese erstaunlich lange in einem Zustand verweilen können, den man nur quantenphysikalisch verstehen kann.

Anhand eines Modellsystems wurde dieser Effekt an der TU Wien nun untersucht. Dabei zeigte sich: Die heiß diskutierten langlebigen Quantenzustände sind ein Nebenprodukt eines anderen Phänomens. Die Kopplung zwischen Vibrationen und Elektronen der Moleküle stellt sich als entscheidend heraus, dieser Effekt erklärt die Messungen nun vollständig.

Warm, feucht und wirr
Ein biologisches System wie eine lebende Zelle ist eigentlich kein gutes Quantenlabor. „Zellen sind warm, nass und unordentlich. Genau so eine Umgebung will man normalerweise vermeiden, wenn man Quantenexperimente durchführt“, erklärt Jürgen Hauer vom Institut für Photonik der TU Wien. Man stellte fest, dass das Verhalten bestimmter Molekülverbände, wie sie auch bei der Photosynthese eine entscheidende Rolle spielen, nur quantenphysikalisch erklärbar ist.

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„Das Licht regt die Molekülverbände an und bringt sie auf ein höheres Energieniveau“, sagt Jürgen Hauer. „Quantenphysikalisch ist es möglich, dass sie zwei verschiedene Energien gleichzeitig annehmen.“ Solche Überlagerungen werden normalerweise sehr rasch zerstört, die klassische Physik erlaubt nur eindeutige Werte für die Energie, keine Überlagerung zweier Werte. Bei der Photosynthese (bei Raumtemperatur) überleben diese Quantenzustände aber für die Dauer von hunderten Femtosekunden bei Raumtemperatur. Das ist für alltägliche Maßstäbe zwar bloß ein winziger Augenblick, auf quantenphysikalischen Zeitskalen ist das aber erstaunlich lange.

„Dadurch drängte sich natürlich die Frage auf, ob diese erstaunlich lang anhaltende Quantenkohärenz für die Effizienz der Photosynthese notwendig ist“, sagt Jürgen Hauer. Er selbst war davon nicht überzeugt: „Unser Tageslicht ist kein Quantenlicht, die Sonne ist kein Laser“, erklärt Hauer. „Es ist daher nicht wirklich nachvollziehbar, warum quantenphysikalische Kohärenz nötig sein soll, um das Licht optimal zu nutzen.“

Das Vibrieren der Moleküle
Chlorophylle oder andere Moleküle, die das Sonnenlicht umwandeln können, sind nicht zufällig verteilt, sondern finden sich zu Gruppen zusammen. Dadurch ist es möglich, dass diese Moleküle gegeneinander vibrieren. In den Photonik-Labors der TU Wien wurde das mit einem Modellsystem untersucht. Um dem Mechanismus genau auf die Spur zu kommen, analysierte man keine lebenden Zellen, sondern ein ähnliches, künstlich hergestelltes und geordnetes System aus Cyaninfarbstoff-Molekülen.

Dabei zeigte sich, dass Vibrationen eine ganz entscheidende Rolle spielen. „Die Vibrationen koppeln verschiedene Energiezustände miteinander, man spricht von vibronischen Anregungen – Vibration und elektronische Zustände gehören untrennbar zusammen, sie werden ununterscheidbar“, sagt Jürgen Hauer. Diese vibronische Kopplung ermöglicht den schnellen und nahezu verlustfreien Transfer der Lichtenergie in Lichtsammelkomplexen. Diese Molekülverbände werden durch das Licht zunächst angeregt und in einen Zustand hoher Energie gebracht. Ähnlich wie ein Ball auf einer Treppe von Stufe zu Stufe nach unten fällt, muss die Energie Schritt für Schritt verringert werden, um in der Zelle genutzt werden zu können. Beim wichtigen ersten Schritt dieser Energiekaskade spielen die Vibrationen ihre entscheidende Rolle.

Lernen von der Natur
Jürgen Hauer, der 2012 für seine Arbeit mit einem START-Preis des FWF ausgezeichnet wurde, möchte mit seinen Experimenten die Tricks der Natur nutzbar machen. Biologische Zellen sind in den ersten Schritten der Verarbeitung von Lichtenergie deutlich effizienter als künstliche Solarzellen: neun von zehn Photonen werden in Bio-Systemen in elektrochemische Energie umgewandelt. In den später ablaufenden Schritten sinkt zwar die Effizienz, doch auch das hat seinen Sinn: Die Zelle gewinnt dadurch an Flexibilität und kann bei ganz unterschiedlichen Lichtverhältnissen überleben. Ein besseres Verständnis der natürlichen Photosynthese soll dazu führen, dass künftige Generationen von Solarzellen ähnlich gute Eigenschaften haben wie die biologischen Kraftwerke der Zelle, die von der Evolution über Milliarden Jahre optimiert worden sind.

Die Veröffentlichung in Nature Communications ist das Produkt einer Kooperation zwischen sechs europäischen Forschungsgruppen aus Wien, Prag, Ulm, Lund, Berlin und Cartagena (Spanien).

Originalpublikation:
„Vibronic origin of long-lived coherence in an artificial molecular light harvester”: http://www.nature.com/ncomms/2015/150709/ncomms8755/full/ncomms8755.html

Rückfragehinweis:
Dr. Jürgen Hauer
Institut für Photonik
Technische Universität Wien
Gußhausstr. 25-29, 1040 Wien
juergen.hauer@tuwien.ac.at

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