Jak to dopadne, když se setká kvantová fyzika s genetickým inženýrstvím, aby společně vylepšily fungování energetického transportu. Výsledkem mohou být nové technologie levných a efektivních slunečních článků nebo světlem poháněné katalyzátory.

Naším vzorem je fotosyntéza

Příroda měla miliardy let na to, aby vypiplala proces fotosyntézy, tedy přeměnu slunečního záření na využitelnou energii, téměř k dokonalosti. Fotosyntetické orgány mimo jiné dovedou přenášet energii slunečního záření z „přijímacích antén“ do reakčních center, v nichž je pak tato energie zužitkována s téměř stoprocentní účinností. O něčem takovém si i ty nejlepší solární články mohou jen nechat zdát.

Pokud chceme efektivně využívat energii Slunce, měli bychom s tím něco udělat. Jednou z možných cest je využití exotických efektů kvantové mechaniky, jako je například výskyt jedné částice na více místech zároveň. Velmi zajímavým způsobem se do toho teď vložila Angela Belcherová z MIT a její tým, kteří použili nanotechnologii s geneticky upravenými viry. Svůj výzkum publikovali v novém čísle časopisu Nature Materials.

Kvantové hopsání excitonů

Když foton na začátku fotosyntézy zasáhne chromofor, tedy strukturu, která je jako anténa schopná přijímat elektromagnetické záření, tak vznikne energetická částice exciton, což je vázaný stav elektrony a elektronové díry. Tento exciton pak skáče z jedné antény na druhou, až se dostane do reakčního centra, které jeho energii využije ke stavbě energeticky bohaté molekuly. Poskakování excitonu by nebylo moc efektivní, kdyby při tom nefungovaly kvantové jevy. Jednoduše řečeno, díky kvantovým efektům se exciton pohybuje po více možných trajektoriích zároveň, více jako vlna, než jako částice.

Na scénu přicházejí geneticky upravené viry

Aby při pohybu excitonů fungovaly kvantové efekty, tak musí být splněn jeden zásadní požadavek. Molekulární antény, mezi nimiž excitony hopsají musí být uspořádány tak, aby mezi nimi byla přesně definovaná vzdálenost. Ve fotosyntetických organismech to zařídila evoluce, solárním článkům by s tím mohly pomoct právě geneticky upravené viry. Belcherová a spol. vyrobili upravené virové částice bakteriofága M13, které jsou schopné se navázat na syntetické „přijímací antény“ v solárních článcích, což v tomto případě byly molekuly organických barviv. Badatelé si pěkně zaexperimentovali a vyzkoušeli různě dlouhé virové částice, mezi nimiž vybrali ty, jejichž podporovala nejlepší přenos excitonů.

Výsledkem snažení genetických inženýrů a kvantových fyziků nakonec bylo více než dvojnásobné zrychlení pohybu excitonů. Podle Belcherové a spol. jde zatím jen o první pokus využít geneticky upravené viry při přenosu energie ze Slunce. Na obzoru se už ale rýsují možné aplikace při vývoji laciných a výkonných solárních článků nebo světlem poháněných katalyzátorů.

Stanislav Mihulka

Video

Literatura

MIT News 14. 10. 2015, Nature Materials online 12. 10. 2015.