植物利用量子力學以近乎完美的效率收集陽光——儘管最終只有大約 2% 的捕獲陽光轉化為化學能儲存起來。現在，科學家們正在研究自然界是如何最佳化光合作用的這一光收集步驟的，以便學習如何在工程系統中模仿它，用於太陽能電池或人工樹葉，這些人工樹葉直接從太陽產生燃料。
植物依靠髮色團（能夠吸收特定波長的可見光並反射其他波長的分子）來從太陽中獲取能量。當陽光照射到植物時，最頂層髮色團中的電子會吸收來自入射光子的能量，然後將能量從新啟用的分子轉移到另一個能量狀態較低的分子。這種轉移透過分子鏈重複進行，這是一個快速能量傳遞的級聯過程，最終將電子從鏈中的最後一個髮色團中分離出來，從而提供植物以碳水化合物形式儲存的能量。
透過這種方式，髮色團執行三個功能：它們從陽光中吸收能量（充當“受體”）；它們捐贈吸收的能量（充當“供體”）；以及它們將能量轉移到另一個分子（充當“橋樑”）。利用其他研究人員對髮色團吸收和發射的光子強度的測量結果，麻省理工學院的化學家曹健書及其同事開發了一個計算機模型，以得出受體、供體和橋樑的比例，從而最佳化光合作用中光收集步驟的效率。
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研究結果：為了在僅具有這兩種髮色團功能的天然光合作用系統中有效地轉移能量，每個受體有 10 個供體的最佳比例。曹健書說，在供體和受體的排列中新增橋樑可以進一步提高能量轉移的效率。
髮色團在植物細胞中成束排列，這些結構和配置也會影響光收集效率。加州大學伯克利分校的化學家馬特·弗朗西斯透過將髮色團附著到菸草花葉病毒分子上，建立了人工光收集系統。對這些基因工程系統進行建模後，曹健書發現，一種結構（髮色團圓盤的堆疊）可以透過組合多個尺寸相似但具有不同橋樑、受體和供體組合的圓盤來調整，從而提高整體效率。根據 10 月 21 日發表在《物理化學雜誌 B》上的研究，由橋樑和受體組成的兩個圓盤堆疊在完全由供體組成的圓盤之間的特定配置是設計人工光收集裝置的良好候選方案。
早期的研究發現，光合作用利用了一種稱為量子相干效應的現象。在一項研究中，研究人員發現髮色團吸收的能量同時透過多個網路傳播，以找到最快的路徑。其他研究觀察到，量子水平上的“噪聲”或隨機波動有助於將能量從髮色團轉移到光合作用的反應中心。在這一研究基礎上，曹健書和麻省理工學院的化學家羅伯特·西爾比對綠色硫細菌中的光收集系統進行了建模，發現當系統中存在適量的噪聲時，光合作用效率最高。曹健書說：“在實驗條件下，人們總是試圖減少噪聲，但在量子力學系統中，有一些噪聲實際上是有用的。”
他舉了一個表面摩擦的例子：如果汽車在冰上，沒有任何摩擦，它根本不會移動。但如果摩擦力太大，汽車也不會移動。西爾比和曹健書在 10 月份的《新物理學雜誌》上寫道，在光合作用系統中，適量的隨機量子波動（想想：摩擦）有助於將攜帶能量的電子從一個反應中心轉移到下一個反應中心。透過改變模型中隨機波動的溫度、強度和長度，他們能夠最佳化能量轉移。
麻省理工學院和聖塔菲研究所的塞思·勞埃德也研究光合作用中的量子相干性，他說，設計像光合作用光收集步驟中涉及的人工系統需要不同的設計方法。“自然選擇正在新增量子設計特徵，並將它們調整到足夠複雜的地步，以便在不損害魯棒性的情況下完成工作。” 工程師們經常被建議保持簡單，但勞埃德說不要太簡單：“你希望擁有儘可能多的旋鈕，可以像你要完成的功能一樣多地轉動。”