Природе потребовались миллиарды лет для идеального фотосинтеза, который прямо или косвенно поддерживает практически всю жизнь на Земле. За это время технология достигла почти 100-процентной эффективности в транспортировке солнечной энергии от рецепторов к реакционным центрам, где она может быть использована лучше, чем даже лучшие солнечные батареи. Одним из способов достижения растениями такой эффективности является использование экзотических эффектов квантовой механики - эффектов, иногда называемых "квантовыми странностями". Эти эффекты, которые включают способность частиц существовать более чем в одном месте одновременно, теперь используются инженерами MIT для достижения значительного повышения эффективности в системе улавливания легких отходов.
Удивительно, но исследователи MIT достигли этого нового подхода к солнечной энергии не с помощью высокотехнологичных материалов или микросхем, а с помощью генетически модифицированных вирусов.
Это достижение в сочетании с квантовыми исследованиями и генетическими манипуляциями стало результатом работы профессоров MIT Анжелы Белчер, эксперта по техническим вирусам для выполнения задач, связанных с энергетикой, и Сета Ллойда, эксперта по квантовой теории и ее потенциальному применению; научного сотрудника Хичул Парк; и 14 сотрудников в MIT и в Италии.
Профессор машиностроения Ллойд объясняет, что при фотосинтезе фотон попадает в рецептор, называемый хромофором, который в свою очередь производит возбудитель - квантовую частицу энергии. Этот возбудитель переходит от одного хромофора к другому до реакционного центра, где эта энергия используется для создания молекул, поддерживающих жизнь.
Но путь прыжка является случайным и неэффективным, если он не использует преимущества квантовых эффектов, которые позволяют ему, по сути, принимать несколько путей одновременно и выбирать лучшие из них, ведя себя скорее, как волна, чем как частица.
Это эффективное движение экситонов имеет одно ключевое требование: Хромофоры должны быть расположены точно так же, как и другие, и между ними должно быть достаточно места. Это известно, как "Квантовый эффект Златовласки".
Вот откуда приходит вирус. Разработав вирус, с которым Белчер работал в течение многих лет, команда смогла связать его с несколькими синтетическими хромофорами или, в данном случае, органическими красителями. Исследователи смогли создать множество разновидностей этого вируса, с немного отличающимися расстояниями между этими синтетическими хромофорами, и выбрать те, которые показали наилучшие результаты.
В конце концов, они смогли более чем удвоить скорость экситонов, увеличив расстояние, которое они прошли перед рассеиванием, что значительно повысило эффективность процесса.
В 2008 году Ллойд опубликовал статью, демонстрирующую, что фотосинтетические организмы эффективно передают световую энергию благодаря этим квантовым эффектам. Когда он увидел доклад Белчера о ее работе с техническими вирусами, он задался вопросом, может ли это послужить искусственным стимулом для достижения аналогичного эффекта в попытке приблизиться к эффективности природы.
Я говорил о потенциальных системах, которые можно было бы использовать для демонстрации этого эффекта, и Анджела сказала: "Мы уже создаем такие системы", - вспоминает Ллойд. В конце концов, после долгих анализов, "Мы придумали принципы проектирования, чтобы изменить способ захвата света вирусом и привести его в этот квантовый режим".
В течение двух недель команда Белчера создала свою первую тестовую версию разработанного вируса. Затем много месяцев работы было потрачено на совершенствование рецепторов и пространств.
Разработав эти вирусы, они смогли использовать лазерную спектроскопию и динамическое моделирование для наблюдения за процессом сбора света в действии и продемонстрировать, что новые вирусы действительно использовали квантовую когерентность для улучшения переноса возбудителей.
"Это было очень весело", - говорит Белчер. "Наша группа, говорящая на разных [научных] языках, тесно сотрудничала, чтобы сделать этот класс организмов и проанализировать данные. Вот почему я так взволнована этим."
Хотя этот первоначальный результат по существу является доказательством концепции, а не практической системой, он указывает путь к такому подходу, который может привести к недорогим и эффективным солнечным элементам или катализу на основе света, говорит команда. До сих пор созданные вирусы собирают и транспортируют энергию от входящего света, но пока не используют ее для производства энергии (как в солнечных батареях) или молекул (как в фотосинтезе). Но это можно было бы сделать, добавив реакционный центр, где происходит такая обработка, к концу вируса, где заканчиваются возбудители.