@ 2015.10.16 , 18:00

当量子物理遇上基因工程

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光合作用直接或者间接地滋养着几乎地球上所有的生命,它的完善已经花了大自然几亿年的时间。从光接收器到吸收太阳能的反应器这段能量运输过程,它的效率已经达到了将近100%,这大于现今所有太阳能电池的能量传递效率。

植物之所以具有如此高的效率,原因之一是利用了量子力学的特殊效应—— “量子诡异性”。这种效应,比如一个粒子能够同时位于多个地点,已经被MIT的工程师应用在了光捕获系统中,并大大提高了其效率。

令人吃惊的是,MIT研究者们获得这种太阳能技术的时候并没有用到高科技材料或者芯片,他们只用了基因改造过的病毒。

这项结合量子研究与基因操作技术的成果发表在了这周的《自然材料》杂志上,它由两名MIT教授:改造病毒的专家Angela Belcher和量子理论及其应用的专家Seth Lloyd,研究助理Heechul Park,以及14名合作人员共同完成。

一位机械工程教授Lloyd解释,在光合作用中,当一个光子与名为发色团的接收器碰撞时,会反过来产生一个名为激子的量子能量粒子。激子会从一个发色团跳跃到另一个知道它到达一个反应中心,在那里能量被吸收并制造出所有生命依赖的分子。

但是这种跳跃的路径是随机的,并且效率很低,除非它利用了量子效应 — 激子同时沿多个路径跳跃并且选择最佳的路径来传递能量,这让它看起来相对于粒子来说更像是一种波。

这种激子的高效运动方式有一个必要条件:发色团必须排列规范,它们之间的间隔要恰到好处。对此,Lloyd解释道,这就是所谓的“量子金发女孩效应”。

这就到了病毒该登场的时候了。Belcher通过基因改造一种他已经玩了几年的病毒,使它与多种人造发色团(有机染料)相结合。之后研究人员又培养出了多种改造病毒,它们发色团之间的间距有略微的不同,然后选出能量传递效果最好的一种。

最终,研究者获得了一种病毒,它的能量传播速度比激子速度(激子跳跃传播速度)的两倍还要高,这是对能量传递效率的显著提高。

(视频大致内容:通过基因改造病毒,使得病毒能够表达出植物中激子传播的介质,就可以改变病毒自身的能量传递效率。实验用了两种病毒进行对比,一种是传统Forster噬菌体,一种是量子Forster噬菌体,他们之间发色团不同。前者激子只能通过跳跃传播,后者可以通过量子效应传播,结果显示量子噬菌体中的激子比传统噬菌体的传递距离多68%,速度超过两倍。)

那么,这种病毒能用在什么地方呢?或许有一天,它会被用在太阳能电池中,也可能作为催化剂被使用。

本文译自 news.mit.edu,由译者 焦盖盖 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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