神奇的人造樹葉

李忠東

獲取安全燃料

從樹葉里發(fā)生的一種化學(xué)變化受到啟發(fā)，美國(guó)加州理工學(xué)院的科學(xué)家們開發(fā)出一種新的氧化鎳導(dǎo)電薄膜。它復(fù)制自然界中植物利用陽(yáng)光將水、二氧化碳轉(zhuǎn)化成氧氣和碳水化合物類燃料的過(guò)程，構(gòu)建了一個(gè)安全、高效的人工光合作用系統(tǒng)，俗稱“人工樹葉”。通過(guò)這種導(dǎo)電薄膜，可以解決利用陽(yáng)光將水分解成氫燃料中出現(xiàn)的問(wèn)題。例如，硅這種半導(dǎo)體在導(dǎo)電過(guò)程中極易氧化生銹，在加入氧化鎳薄膜就能夠起到防止生銹的作用，與此同時(shí)促進(jìn)陽(yáng)光的分解作用，獲得更多的像甲烷或者氫這樣的燃料。？？？

“人工樹葉”是加州理工大學(xué)人工光合作用聯(lián)合中心（JCAP）開發(fā)的，由光陽(yáng)極、光陰極和薄膜三個(gè)主要的部分組成。其中光陽(yáng)極利用陽(yáng)光氧化水分子產(chǎn)生氧氣、質(zhì)子和電子；光陰極利用光陽(yáng)極產(chǎn)生的質(zhì)子和電子合成氫氣；用塑料制成的薄膜可將這兩種氣體隔開，以防止任何可能性的爆炸。然后在一定的壓力作用下，這些氣體會(huì)被壓入管道收集起來(lái)。

加州理工學(xué)院化學(xué)教授奈特？路易斯是JCAP的科學(xué)帶頭人，他曾經(jīng)用硅或者砷化鎵這類用在太陽(yáng)能電池板上能夠吸收光的普通半導(dǎo)體來(lái)制作電極，然而這些材料碰到水容易氧化，也就是生銹。后來(lái)他和其他科學(xué)家嘗試在這些電極上加一層保護(hù)膜，但均告失敗。因?yàn)槔硐氲谋Ｗo(hù)膜要求很高，要與它所覆蓋的半導(dǎo)體能在化學(xué)上相容，不透水，能導(dǎo)電，保證透光，容易被催化產(chǎn)生反應(yīng)，釋放氧和燃料。而路易斯團(tuán)隊(duì)這次研制的氧化鎳薄膜完全符合上述各項(xiàng)要求，是一項(xiàng)重大的飛躍。它可以用在包括硅、磷化銦、碲化鎘在內(nèi)的多種半導(dǎo)體材料上。尤其在保護(hù)光陽(yáng)極上，氧化鎳薄膜的優(yōu)越性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其他類似的保護(hù)膜。

制作氧化鎳薄膜新技術(shù)需要將粉碎的氬原子在富氧環(huán)境下放入高速轉(zhuǎn)動(dòng)的鎳原子顆粒中。在這個(gè)過(guò)程中，從氬原子中濺射下來(lái)鎳原子碎片與氧原子發(fā)生反應(yīng)，生成一種鎳的氧化物，沉淀在半導(dǎo)體上形成了保護(hù)膜。最關(guān)鍵的是這種新型的氧化鎳薄膜能夠很好地配合另外一張重要的膜，這張膜負(fù)責(zé)將釋放氫氣的光陽(yáng)極與釋放氧氣的光陰極隔開，互不干涉。如果沒(méi)有這張隔膜，光陽(yáng)極和光陰極會(huì)因?yàn)榭康锰烹?，再遇上剛由它們自己釋放出的活潑的氧氣氫氣，隨時(shí)都可能發(fā)生爆炸。而有了氧化鎳薄膜，就能一次性地制造出一個(gè)沒(méi)有爆炸相對(duì)安全且持久高效的人工光合作用機(jī)器。

路易斯指出，人工光合作用機(jī)器投入商業(yè)市場(chǎng)還需要很長(zhǎng)一段時(shí)間。這個(gè)系統(tǒng)的其他部分比如光陰極還有待于進(jìn)一步改善。目前要做的就是把這兩個(gè)部分都做好，給大家呈現(xiàn)完整的人工光合作用系統(tǒng)以及它的運(yùn)作過(guò)程。

提供氧氣來(lái)源

英國(guó)皇家藝術(shù)學(xué)院研究生朱利安？梅爾奇奧里近日發(fā)明了一種名為“Silk？Leaf”的人造生物樹葉，這是人類第一片和自然界的樹葉一樣可以進(jìn)行光合作用的葉子，只需要二氧化碳、水、光，就能產(chǎn)生氧氣。這種神奇的新材料可以給執(zhí)行長(zhǎng)時(shí)間太空使命的宇航員提供穩(wěn)定的氧氣來(lái)源，甚至幫助人類移居新的星球。

根據(jù)朱利安所說(shuō)，“Silk？ Leaf”由懸浮在絲蛋白層上的葉綠體組成，形成一片清新的綠油油的顏色，僅僅利用一點(diǎn)光源即可讓它釋放出氧氣。而且這種物質(zhì)從天然絲纖維提取，能夠儲(chǔ)存更多的制氧材料?！癝ilk？Leaf”在分子的穩(wěn)定性上有很出色的表現(xiàn)，使得人造材料也能像植物那樣進(jìn)行光合作用，即在太空環(huán)境下也能保持這種穩(wěn)定性。

美國(guó)航天航空局（NASA）表示，由于外太空不存在可以讓植物存活的土地、陽(yáng)光、水分、土壤和重力，因此沒(méi)有樹木和其他植物的氧氣制造工廠，致使缺氧成為目前人類在太空旅行中面臨的一大難題?？茖W(xué)家們正在研究不同的太空制氧方式。而“Silk？Leaf”這種人造生物樹葉的出現(xiàn)令人振奮，為進(jìn)一步探索太空提供了可能。

“Silk？Leaf”是英國(guó)皇家學(xué)院藝術(shù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)工程課程與美國(guó)塔斯夫大學(xué)Silk實(shí)驗(yàn)室合作的研究項(xiàng)目的一部分。除了在太空旅行有著廣闊的使用前景之外，這種材料還可以為地球上的人提供新鮮的空氣。朱利安指出，“Silk？Leaf”消耗的能量很少，可以成為現(xiàn)代建筑的一部分，以吸收二氧化碳。無(wú)論是室內(nèi)還是室外，人們只需在大樓的外墻、通風(fēng)系統(tǒng)以及室內(nèi)的燈罩等表面涂上這種葉片材料，就能呼吸到新鮮的空氣。

現(xiàn)在，不少科研院所都在研究人造樹葉。2015年4月初，美國(guó)麻省理工學(xué)院科學(xué)家丹尼爾？諾塞拉領(lǐng)導(dǎo)的研究小組成功開發(fā)出：一種神奇的太陽(yáng)能人造樹葉，為地球能源枯竭問(wèn)題提供了新的解決方案。研究表明，要想避免極具破壞性的全球變暖，人們至少要生產(chǎn)超過(guò)10萬(wàn)億瓦的無(wú)碳清潔能源，而太陽(yáng)能正是拯救能源危機(jī)的關(guān)鍵，因此太陽(yáng)能人造樹葉有可能成為能源革命的一個(gè)突破點(diǎn)。

它只有撲克牌大小，內(nèi)含一塊薄薄的硅片，里面排列著眾多交錯(cuò)的微小水流管道。在太陽(yáng)照射下，水流過(guò)樹葉時(shí)，葉子中樞莖稈系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng)電解程序，依靠催化劑產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，把水進(jìn)一步分解成氧和氫。這時(shí)只需要將氫氣儲(chǔ)存起來(lái)，便可轉(zhuǎn)變成燃料電池所需的電能，實(shí)現(xiàn)“零排放”。

太陽(yáng)能人造樹葉所需材料的價(jià)格較為實(shí)惠，而且可以在臟水環(huán)境中實(shí)現(xiàn)能量制造?，F(xiàn)在世界上還有很多地方不能獲得穩(wěn)定的電力來(lái)源，得益于這項(xiàng)技術(shù)，發(fā)展中國(guó)家的一些村莊在不久的將來(lái)就可用上承擔(dān)得起的基本電力設(shè)備。

產(chǎn)生液體燃料

哈佛大學(xué)生物學(xué)家最近研發(fā)的“仿生葉”能夠截獲陽(yáng)光中的能量，并轉(zhuǎn)化為可用來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的液體燃料。這是一種升級(jí)版的人造葉子，將為人類提供潛在的未來(lái)能源。在此之前，科學(xué)家掌握了人造葉子的工作機(jī)制，利用太陽(yáng)光照的能量形成能用于燃料電池的氫。為了滿足汽車和其他車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)使用液體燃料的需要，哈佛大學(xué)的研究人員開發(fā)了這種新型的“仿生葉”，不但能夠利用太陽(yáng)能產(chǎn)生氫和氧，而且可以滿足細(xì)菌產(chǎn)生異丙醇的條件。作為燃料使用，異丙醇有些類似酒精或者汽油。

為了分離出質(zhì)子和電子，哈佛大學(xué)的研究人員在新型葉子中使用了一種酶，在與二氧化碳結(jié)合的下一個(gè)循環(huán)中形成異丙醇。參與本項(xiàng)研究的科學(xué)家來(lái)自哈佛醫(yī)學(xué)院、藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院以及該校的生物工程研究所，主持研究的丹尼爾·諾塞拉教授表示：“我們只要把人造葉子暴露在空氣中，讓其接受陽(yáng)光的照射，就能夠利用空氣中的二氧化碳生產(chǎn)出可供汽車使用的液體燃料，獲得源源不斷的動(dòng)力?！?/p>

本項(xiàng)研究的核心思路是使用陽(yáng)光來(lái)產(chǎn)生化學(xué)燃料，當(dāng)務(wù)之急是提高人造葉子的轉(zhuǎn)化效率，科學(xué)家下一步的實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)將研發(fā)優(yōu)質(zhì)的催化劑和細(xì)菌。諾塞拉教授指出，自然界中光合作用生物效率為1%，現(xiàn)在要做的就是將轉(zhuǎn)化效率提升5倍，達(dá)到5%。