SỰ KẾT HỢP GIỮA VẬT LÝ LƯỢNG TỬ VÀ KỸ THUẬT GENE

Thiên nhiên đã mất hàng tỉ năm để hoàn thiện quá trình “quang hợp”, quá trình trực tiếp hoặc gián tiếp tác động hỗ trợ cho sự sống trên trái đất. Trong khi đó, quá trình hấp thụ 100% năng lượng từ ánh sang mặt trời từ các receptor đến trung tâm phản ứng, nơi mà năng lượng được hấp thụ- Quá trình này hiệu quả gấp nhiều lần so với các pin mặt trời.

                      Tế bào thực vật- quá trình quang hợp hấp thụ các photon

Đáng ngạc nhiên, các nhà nghiên cứu tại trường MIT đã đạt được cách tiếp cận mới này cho năng lượng mặt trời không có vật liệu công nghệ cao hoặc các vi mạch - mà bằng cách sử dụng virus biến đổi gene. 


       Classical Forstor and Super-Forstor


                                                              Classical Forstor


                                                               Super-Forstor

 Virus được sửa đổi để điều chỉnh khoảng cách giữa các chromophore, năng lượng có thể nhảy từ một tập các chromophore đến tiếp theo nhanh hơn và hiệu quả hơn.



Thành tưu này nhờ sự kết hợp các lượng tử và các điều chỉnh các gene, được mô tả trên tạp chí Nature Materials,  đó là công trình của giáo sư Angela Belcher đại học MIT, một chuyên gia về kỹ thuật virus để thực hiện việc mang năng lượng, và Seth Lloyd, một chuyên gia về lý thuyết lượng tử và các ứng dụng tiềm năng của nó; nghiên cứu viên tại Công viên Heechul; và 14 cộng tác viên tại MIT và tại Ý.

Lloyd, một giáo sư về cơ học, giải thích rằng trong quang hợp, một photon chạm tới recetor được gọi là Chromophore, do đó tạo ra một exciton - một hạt năng lượng lượng tử. Các exciton nhảy từ chromophore này đến chromophore khác để đến một trung tâm phản ứng, nơi mà năng lượng được khai thác để cấu thành các phân tử giúp cho sự sống. Quá trình này ngẫu nhiên và không có hiệu quả, có nhiều pathway( đường dẫn truyền) xảy ra cũng một lúc và sẽ chọn ra được một pathway tốt nhất.

Quá trình di chuyển hiệu quả cho exciton có một yêu cầu quan trọng: Các chromophore phải được bố trí đúng, và khoảng cách chính xác giữa chúng. Điều này, Lloyd giải thích, được gọi là "Quantum Goldilocks Effect."
Belcher đã nghiên cứu chỉnh sửa trên virus hàng năm trời cùng với nhóm nghiên cứu của mình. Nhóm đã dùng thuốc nhuộm để thấy được các Chromophores trên virus. Họ đã tạo ra nhiều dòng virus khác nhau, với các thay đổi nhỏ giữa khoảng các chromophore, họ đã chọn ra dòng tốt nhất.
Cuối cùng, tốc độ tạo ra exciton gấp đôi, tăng quãng đường di chuyển trước khi chúng biến mất một cải tiến đáng kể trong công trình nghiên cứu.

Dự án bắt đầu từ hội nghị ở Italy. Lloyd và Belcher, giáo sư di truyền sinh học, đã  báo cáo về các dự án khác nhau mà họ đã nghiên cứu, và bắt đầu thảo luận về khả năng của một dự án bao gồm chuyên môn rất khác nhau của họ. Lloyd, trên lý thuyết, chỉ ra rằng virus mà Belcher đang nghiên cứu  có khoảng cách chính xác giữa các chromophores mà nó có thể tạo ra hiệu ứng lượng tử hiệu quả.

Trong năm 2008, Lloyd đã xuất bản  công trình chứng minh rằng các sinh vật có quá trình quang hợp truyền năng lượng ánh sáng hiệu quả vì những hiệu ứng lượng tử. Khi ông nhìn thấy báo cáo của bà Belcher về công việc của mình với thiết kế virus, ông tự hỏi, nếu có tạo một hiệu ứng tương tự.
"Tôi đã nói  về nhiều hệ thống tiềm năng, bạn có thể sử dụng để chứng minh hiệu ứng này, và Angela nói, 'Chúng ta đã làm cho những thứ này rồi'", Lloyd nhớ lại. Cuối cùng, sau khi phân tích nhiều, "Chúng tôi đã đưa ra các nguyên lý để thiế kế virus có thể hấp thu ánh sang”

Trong vòng 2 tuần, nhóm nghiên cứu của Belcher đã tạo ra bản thử nghiệm đầu tiên. Sau nhiều tháng, họ đã tạo ra được những receptors và khoảng cách hoàn hảo.
Sau khi nhóm thiết kế virus, họ đã dùng laser quang phổ và mô hình động năng để quan sát quá trình thu năng lượng, và để chứng minh rằng các virus mới này có thể gia tăng tốc độ của excitons để tạo ra năng lượng nhiều hơn.

Kết quả ban đầu này về cơ bản trên lý thuyết chứ chưa thực sự một hệ thống thực tế, nó chỉ cách hướng tới cách tiếp cận có thể dẫn đến các tế bào năng lượng mặt trời không tốn kém và hiệu quả , nhóm nghiên cứu cho biết. Cho đến nay, virus thiết kế chỉ thu năng lượng và vận chuyển năng lượng từ ánh sáng đến, nhưng chưa khai thác nó để sản xuất năng lượng (như trong tế bào năng lượng mặt trời) hoặc các phân tử (như trong quang hợp). Nhưng điều này có thể được thực hiện bằng cách thêm một trung tâm phản ứng, nơi các quá trình như vậy xảy ra, đến cuối của virus mà các exciton kết thúc.

 
                  Ứng dụng của virus chỉnh sửa

Nghiên cứu được hỗ trợ bởi các công ty năng lượng Eni của Ý thông qua Sáng kiến ​​Năng lượng MIT. Ngoài MIT postdocs Nimrod Heldman và Patrick Rebentrost, nhóm nghiên cứu bao gồm các nhà nghiên cứu tại Đại học Florence, Đại học Perugia, và Eni.