“人造樹(shù)葉”：人造光合作用催生未來(lái)能源

　　前不久，美國加州理工學(xué)院的科學(xué)家研制出了一種新材料，它是一種用二氧化鈦制成的新薄膜鍍層，這種鍍層能幫助科學(xué)家更加有效地把陽(yáng)光轉化成零排放燃料。

　　利用太陽(yáng)能發(fā)電，我們都很熟悉，但是此次美國科學(xué)家并非將太陽(yáng)能直接轉變成電能，而是變成氫等耐貯存的化學(xué)燃料。這項研究的主要目標是希望未來(lái)“讓安裝在屋頂和田野里的太陽(yáng)能發(fā)電機直接為汽車(chē)、建筑物和工廠(chǎng)生產(chǎn)出液體或者氣體燃料”。

　　看到這則消息，可能有人不禁會(huì )問(wèn)，既然太陽(yáng)能發(fā)電已經(jīng)在我們的日常生活中廣泛應用，為什么還要把太陽(yáng)能轉化為化學(xué)能呢?科學(xué)家的這項研究難道是在“多此一舉”嗎?

　　模擬光合作用，帶來(lái)清潔能源

　　模擬光合作用所得的氫氣和氧氣可以作為電池或氫發(fā)動(dòng)機的燃料，具有熱值高、功率大等優(yōu)勢

　　果殼網(wǎng)成員、分子植物學(xué)博士研究生郗旺解釋說(shuō)：“目前人工利用太陽(yáng)能，是利用硅晶片將太陽(yáng)能直接轉化為電能，從而驅動(dòng)電動(dòng)機或給電池充電。”但是，相比其他發(fā)電方式，目前太陽(yáng)能電動(dòng)機還存在功率較低以及一旦對傳統設備改裝，工程量就很巨大等問(wèn)題。

　　美國科學(xué)家研究的這項新技術(shù)與我們熟悉的太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)不同，它模擬了植物的光合作用原理。郗旺為記者介紹了植物光合作用的三個(gè)步驟：第一步，植物細胞中包含一種名叫葉綠體的細胞器，葉綠體中含有葉綠素，葉綠素受到光照后，能夠將細胞中的水分解為氧氣、氫離子和電子;第二步，氫離子和電子與葉片吸收的二氧化碳一起，被葉綠體中的酶用來(lái)合成糖類(lèi);第三步，氧氣被釋放出去，而糖類(lèi)則留在植物體內被植物使用。對于植物的光合作用，他總結道：“總的來(lái)說(shuō)，植物的光合作用是植物利用光能，將水和二氧化碳合成糖類(lèi)和氧氣的過(guò)程。”

　　相比傳統太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，美國科學(xué)家的這項新技術(shù)模擬了光合作用原理的第一步，即利用光能將水分解為氧氣和氫氣，得到的氫氣和氧氣燃燒，產(chǎn)生能量，為人們所用。換句話(huà)說(shuō)，人們以水為媒介，從而將光能變成了動(dòng)力。對此，郗旺的評價(jià)是：“模擬光合作用所得到的氫氣和氧氣可以作為電池或氫發(fā)動(dòng)機的燃料，具有熱值高、功率大等優(yōu)勢，發(fā)展前景極好。”

　　與“人造樹(shù)葉”原理相同

　　原料是水，發(fā)電后生成物也是水，或許在不久的將來(lái)，我們每家每戶(hù)都能用上這樣的綠色清潔能源

　　事實(shí)上，在科學(xué)界，模擬光合作用的研究并不是從現在才開(kāi)始的。早在1998年，美國科羅拉多州的約翰·特納博士就研制出了世界上第一片人造葉子。到了2011年，美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家諾塞拉博士也公布了自己團隊研發(fā)的新型人造葉子，它有撲克牌一般大小，卻沒(méi)有粗細不等的葉脈，取而代之的是各種電子元件;它也沒(méi)有普通樹(shù)葉常見(jiàn)的綠顏色，看上去就像一塊亮晶晶的遮光板。

　　科學(xué)家在研發(fā)這種新型葉子的過(guò)程中，克服了之前人造葉子造價(jià)昂貴、使用周期短、材料遇水易銹蝕等問(wèn)題，它的基礎材料是硅，只要浸泡在水中，經(jīng)過(guò)太陽(yáng)光的照射，便可以模擬光合作用，將水分解為氫氣和氧氣，而這些氣體儲存起來(lái)可用于發(fā)電。在很多人看來(lái)，與其說(shuō)這是一片“葉子”，不如說(shuō)它是一塊高級的太陽(yáng)能電池。

　　對此，郗旺說(shuō)，這次加州理工學(xué)院的科學(xué)家模擬人造光合作用的技術(shù)與2011年諾塞拉博士的新型人造葉子使用的是相同的原理，“只不過(guò)，這兩種技術(shù)使用的催化媒介不同，一個(gè)是硅基的，另一個(gè)是鈦基的，因此反應效率也略有差異。”同時(shí)，他指出，人造光合作用是一種十分經(jīng)濟且環(huán)保的發(fā)電方式，原料是水，發(fā)電后生成物也是水，一旦技術(shù)成熟，不久的將來(lái)，我們每家每戶(hù)都能用上這樣的綠色清潔能源，作為自己的“發(fā)電站”。

　　“光合作用原理”可被廣泛利用

　　可以高效地合成糖類(lèi)等有機物，解決食品短缺的問(wèn)題;可降低大氣中的二氧化碳濃度，減少溫室效應

　　“人造光合作用”轉化為化學(xué)能的技術(shù)雖好，但現在還存在效率不盡如人意、材料成本過(guò)高等缺陷。因此，郗旺說(shuō)，對于模擬光合作用技術(shù)來(lái)說(shuō)，下一個(gè)目標是提高對光的利用效率，即使用更少的光來(lái)分解更多的水，同時(shí)降低材料的成本。

　　實(shí)際上，自然界中的光合作用是支撐地球生命的基礎，它為地球上的無(wú)數生物提供氧氣和食物，也以煤炭等形式為人類(lèi)提供了能源。除了模擬光合作用原理產(chǎn)生氫氣和氧氣，可以很大程度上解決能源短缺問(wèn)題之外，對于植物的光合作用原理本身，人類(lèi)可利用的范圍并不僅限于此。

　　郗旺列舉了一些利用光合作用原理的應用，而這些都可以成為科學(xué)界未來(lái)努力的方向。例如我們可以高效地合成糖類(lèi)等有機物，從而解決食品短缺的問(wèn)題;另外，光合作用吸收二氧化碳而釋放氧氣，如果能夠大規模人工模擬，那么就可以降低大氣中的二氧化碳濃度，減少溫室效應。不過(guò)，對于這些應用還有許多技術(shù)難關(guān)有待突破，“特別是如果想模擬自然界的光合作用來(lái)獲得氧氣和糖的話(huà)，最困難的應該在于如何模仿葉綠體內極為復雜的酶系統，持續、高效地將二氧化碳合成糖類(lèi)。”郗旺說(shuō)。

　　無(wú)論如何，畢竟太陽(yáng)能在人類(lèi)可預見(jiàn)的時(shí)間內是取之不盡、用之不竭的，所以我們有理由相信，在對光合作用的利用上，未來(lái)，人類(lèi)定能大有作為。