Один из способов достижения этой эффективности растений — использование экзотических эффектов квантовой механики — эффектов, иногда известных как «квантовая странность»."Эти эффекты, которые включают способность частицы существовать более чем в одном месте одновременно, теперь используются инженерами Массачусетского технологического института для достижения значительного повышения эффективности в системе сбора света.
Удивительно, но исследователи Массачусетского технологического института достигли этого нового подхода к солнечной энергии не с помощью высокотехнологичных материалов или микрочипов, а с помощью генно-инженерных вирусов.
Это достижение в сочетании квантовых исследований и генетических манипуляций, описанное на этой неделе в журнале Nature Materials, было работой профессоров Массачусетского технологического института Анджелы Белчер, эксперта по разработке вирусов для выполнения задач, связанных с энергией, и Сета Ллойда, эксперта по квантовой теории. и его потенциальные применения; научный сотрудник Хичоль Парк; и 14 сотрудников в Массачусетском технологическом институте и в Италии.
Ллойд, профессор машиностроения, объясняет, что при фотосинтезе фотон попадает в рецептор, называемый хромофором, который, в свою очередь, производит экситон — квантовую частицу энергии.
Этот экситон перескакивает с одного хромофора на другой, пока не достигнет реакционного центра, где эта энергия используется для создания молекул, поддерживающих жизнь.
Но прыжковый путь является случайным и неэффективным, если он не использует преимущества квантовых эффектов, которые позволяют ему, по сути, использовать сразу несколько путей и выбирать лучшие из них, ведя себя больше как волна, чем частица.
К такому эффективному перемещению экситонов предъявляется одно ключевое требование: хромофоры должны быть расположены точно, с точно правильным расстоянием между ними.
Это, как объясняет Ллойд, известно как «квантовый эффект Златовласки»."
Вот где появляется вирус. Разработав вирус, с которым Белчер работал в течение многих лет, команда смогла заставить его связываться с множеством синтетических хромофоров — или, в данном случае, с органическими красителями. Затем исследователи смогли создать множество разновидностей вируса с немного разными интервалами между этими синтетическими хромофорами и выбрать те из них, которые показали наилучшие результаты.
В конце концов, они смогли более чем вдвое увеличить скорость экситонов, увеличив расстояние, которое они прошли до рассеяния, — значительное повышение эффективности процесса.
Проект начался со случайной встречи на конференции в Италии.
Ллойд и Белчер, профессор биологической инженерии, рассказали о различных проектах, над которыми они работали, и начали обсуждать возможность проекта, охватывающего их совершенно разные знания. Ллойд, чья работа носит в основном теоретический характер, указал, что вирусы, с которыми работает Белчер, имеют правильные масштабы длины, чтобы потенциально поддерживать квантовые эффекты.
В 2008 году Ллойд опубликовал статью, в которой продемонстрировал, что фотосинтезирующие организмы эффективно передают световую энергию из-за этих квантовых эффектов.
Когда он увидел отчет Белчер о ее работе с искусственно созданными вирусами, он задался вопросом, может ли это обеспечить способ искусственно вызвать аналогичный эффект в попытке приблизиться к эффективности природы.
«Я говорил о потенциальных системах, которые вы могли бы использовать для демонстрации этого эффекта, и Анджела сказала:« Мы уже создаем их », — вспоминает Ллойд. В конце концов, после долгого анализа, «Мы разработали принципы дизайна, чтобы изменить способ улавливания света вирусом и перевести его в этот квантовый режим."
В течение двух недель команда Белчера создала свою первую тестовую версию спроектированного вируса. Затем многие месяцы работы ушли на совершенствование рецепторов и промежутков между ними.
После того, как команда сконструировала вирусы, они смогли использовать лазерную спектроскопию и динамическое моделирование, чтобы наблюдать за процессом сбора света в действии и продемонстрировать, что новые вирусы действительно использовали квантовую когерентность для улучшения транспорта экситонов.
"Это было действительно весело", — говорит Белчер. "Группа из нас, говорящих на разных [научных] языках, тесно сотрудничала, чтобы создать этот класс организмов и проанализировать данные. Вот почему я так взволнован этим."
Хотя этот первоначальный результат по сути является доказательством концепции, а не практической системы, он указывает путь к подходу, который может привести к недорогим и эффективным солнечным элементам или световому катализу, говорят ученые.
Пока что искусственно созданные вирусы собирают и переносят энергию падающего света, но еще не используют ее для производства энергии (как в солнечных батареях) или молекул (как в фотосинтезе). Но это можно сделать, добавив реакционный центр, в котором происходит такая обработка, на конец вируса, куда попадают экситоны.
Исследование было поддержано итальянской энергетической компанией Eni в рамках инициативы MIT Energy.
Помимо постдоков Массачусетского технологического института Нимрода Хелдмана и Патрика Ребентроста, в команду вошли исследователи из Университета Флоренции, Университета Перуджи и Eni.