自然界已经有数十亿年的时间来完善光合作用，这种光合作用直接或间接地支持着地球上的所有生命。在那段时间里，该过程在将太阳能从受体传输到能够被利用的反应中心方面已经实现了几乎100%的效率 - 这种性能甚至比最好的太阳能电池都要好得多。
植物实现这种效率的一种方法是利用量子力学的奇特效应 - 有时被称为“量子古怪”的效应。这些影响，包括粒子一次存在于多个地方的能力，现在已被麻省理工学院的工程师用于在光捕获系统中实现显着的效率提升。
令人惊讶的是，麻省理工学院的研究人员实现了这种新的太阳能方法，而不是使用高科技材料或微芯片 - 而是使用基因工程病毒。
本周在“ 自然材料 ”杂志上描述的量子研究与遗传操作耦合的这一成就，是麻省理工学院教授Angela Belcher的工作，他是工程病毒执行能源相关任务的专家，也是量子理论专家Seth Lloyd的工作。及其潜在的应用; 研究员Heechul Park; 和麻省理工学院和意大利的14名合作者。
机械工程教授劳埃德解释说，在光合作用中，光子会撞击一种称为发色团的受体，这种受体反过来会产生一种激子 - 一种能量的量子粒子。这种激子从一个发色团跳到另一个发色团，直到它到达一个反应中心，在那里利用这种能量来构建支持生命的分子。
但跳跃路径是随机且低效的，除非它利用量子效应，实际上允许它同时采取多个路径并选择最佳路径，表现得更像波浪而不是粒子。
激子的这种有效运动有一个关键要求：生色团必须恰到好处地排列，它们之间具有恰当的空间。劳埃德解释说，这被称为“量子金发姑娘效应”。
这就是病毒进入的地方。通过设计Belcher多年来一直使用的病毒，该团队能够将其与多种合成发色团 - 或者在这种情况下是有机染料 - 结合。然后研究人员能够产生多种病毒，这些合成发色团之间的间距略有不同，并选择效果最好的病毒。
最后，它们能够使激子的速度提高一倍以上，增加它们在消散之前的行进距离 - 这是该过程效率的显着提高。
该项目始于意大利的一次会议。Lloyd和Belcher，生物工程教授，正在报告他们所从事的不同项目，并开始讨论一个项目包含他们非常不同的专业知识的可能性。劳埃德的工作主要是理论上的，他指出，Belcher使用的病毒具有适当的长度尺度，可能支持量子效应。
2008年，劳埃德发表了一篇论文，证明由于这些量子效应，光合生物有效地传递光能。当他看到Belcher关于她使用工程病毒的工作的报告时，他想知道这是否可能提供一种人为地诱导类似效果的方法，以努力接近自然的效率。
“我一直在谈论你可以用来证明这种效果的潜在系统，安吉拉说，'我们已经在制造这些，'”劳埃德回忆道。最后，经过大量分析，“我们提出了设计原则来重新设计病毒如何捕获光线，并将其纳入这种量子制度。”
在两周内，Belcher的团队创建了他们的第一个工程病毒测试版本。然后，许多个月的工作都在完善受体和间距。
一旦团队设计了病毒，他们就能够使用激光光谱和动态建模来观察光捕获过程，并证明新病毒确实利用量子相干性来增强激子的传输。
“这真的很有趣，”贝尔彻说。“我们一群讲不同[科学]语言的人密切合作，共同制造这类生物，并分析数据。这就是为什么我对此感到非常兴奋。”
该团队表示，虽然这一初步结果基本上是一个概念证明，而不是一个实际的系统，但它指出了一种方法，可以实现廉价高效的太阳能电池或光驱催化。到目前为止，工程病毒从入射光中收集和传输能量，但尚未利用它产生能量(如太阳能电池)或分子(如光合作用)。但这可以通过添加一个反应中心来完成，这样的处理就会发生，直到激子结束的病毒结束。
该研究由意大利能源公司Eni通过麻省理工学院能源倡议提供支持。除麻省理工学院博士后Nimrod Heldman和Patrick Rebentrost外，该团队还包括佛罗伦萨大学，佩鲁贾大学和埃尼分校的研究人员。
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