工程病毒提供基于量子的能量传输增强 2017-02-19 05:19:12

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在麻省理工学院实验中使用的病毒的渲染被称为发色团的光收集中心是红色的,刚吸收光子的发色团发光白色病毒被修改后调整发色团之间的间距,能量会跳跃研究人员和劳伦·阿莱卡·凯在一项新发表的研究中,一组科学家详细介绍了他们如何使用基因工程病毒来增强基因工程激子网络中的能量转运自然界已经拥有数十亿美元多年来完美的光合作用,直接或间接地支持地球上几乎所有的生命在那个时候,这个过程已经实现了几乎100%的效率,将太阳能从受体转移到可以利用它的反应中心 - 这一表现远远超过了即使是最好的太阳能电池单向工厂也能实现这种效率,这是通过利用外来产品来实现的量子力学的影响 - 有时被称为“量子古怪”的影响这些影响,包括粒子一次存在于多个地方的能力,现在已经被麻省理工学院的工程师用来实现显着的效率提升

光捕获系统令人惊讶的是,麻省理工学院的研究人员不是用高科技材料或微芯片就实现了这种新的太阳能方法 - 而是使用基因工程病毒这一成就将量子研究与遗传操作结合起来,本周在“自然材料”杂志上进行了描述,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,也是量子理论及其潜在应用专家Seth Lloyd的工作;研究员Heechul Park;麻省理工学院和意大利的14位合作者,机械工程教授Lloyd解释说,在光合作用中,光子会撞击一个叫做发色团的受体,这个受体反过来产生一个激子 - 一个能量的量子粒子

这个激子从一个发色团跳到另一个发色团直到它到达反应中心,在那里利用能量来构建支持生命的分子但跳跃路径是随机的,效率低,除非它利用量子效应,实际上允许它一次采取多个路径并选择最好的,表现得像波浪而不是粒子看看研究人员如何通过基因工程改造病毒以更有效地传输能量视频由研究人员提供(Melanie Gonick / MIT的额外编辑)这种有效的激子运动有一个关键要求:发色团必须恰好安排得恰到好处,两者之间有足够的空间这一点,劳埃德解释说,被称为“量子金发姑娘”效果“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,该团队能够使其与多种合成发色团结合 - 或者,在这种情况下,有机染料研究人员随后能够生产许多病毒的种类,这些合成发色团之间的间距略有不同,并选择表现最佳的病毒

最后,它们能够使激子的速度提高一倍以上,增加它们在消散前的行进距离 - 效率显着提高该过程该项目是在意大利劳埃德和生物工程教授Belcher的一次会议上开始的,他们正在报告他们曾参与过的不同项目,并开始讨论一个项目包含他们不同专业知识的可能性Lloyd,其工作主要是理论性的,指出Belcher使用的病毒具有可能支持的正确长度尺度量子效应2008年,劳埃德发表了一篇论文,证明光合生物由于这些量子效应而有效地传递光能

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诱导类似效应的方法,为了接近大自然的效率“我一直在谈论你可以用来证明这种效果的潜在系统,而安吉拉说,'我们已经在制造这些,'”劳埃德回忆说,经过多次分析,最终我们想出了设计原则重新设计病毒如何捕获光,并使其达到这种量子制度“在两周之内,Belcher的团队已经创建了他们的第一个工程病毒测试版本

然后,许多个月的工作用于完善受体和间距

一旦团队设计了病毒,他们就能够使用激光光谱学和动态建模来观察光捕获过程在行动,并证明新病毒确实利用量子相干来增强激子的传输“这真的很有趣,”贝尔彻说:“我们一群讲不同[科学]语言的人密切合作一起,制造这类有机体,并分析数据这就是为什么我对此感到如此兴奋“虽然这个初步结果本质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导致该团队表示,对于廉价高效的太阳能电池或光驱催化,工程病毒从入射光中收集和传输能量,但还没有发挥作用这是为了产生能量(如在太阳能电池中)或分子(如在光合作用中)但这可以通过添加一个反应中心进行这样的处理来完成,直到病毒的末端激子结束“这是令人兴奋的哈佛大学化学与化学生物学教授AlánAspuru-Guzik说,他没有参与这项研究,他说,“这项研究结合了理论上的领导者(劳埃德)和实验的领导者(Belcher)是一个真正的多学科和令人兴奋的组合,将生物学与物理学相结合,潜在的未来技术“”可控制的激子系统的获取是该领域许多研究人员共同的目标,“Aspuru-Guzik补充说”这项工作提供基本的理解,可以允许开发具有更强的激子流控制的设备“该研究由意大利能源公司Eni通过麻省理工学院能源倡议支持除了MIT pos tdocs Nimrod Heldman和Patrick Rebentrost,该团队包括佛罗伦萨大学,佩鲁贾大学的研究人员和Eni出版物:Heechul Park等人,“基因工程激子网络中的增强能量传递”,Nature Materials(2015); doi:101038 / nmat4448资料来源:麻省理工学院新闻大卫L钱德勒