太陽(yáng)給地表貼了層“膜”，讓光照變成電流

自然界的礦物也在發(fā)生“光合作用”。這聽起來(lái)不可思議，因?yàn)樵趯こ５恼J(rèn)知中，只有生物才能進(jìn)行光合作用。

北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院魯安懷團(tuán)隊(duì)日前發(fā)表于《美國(guó)科學(xué)院院刊》的研究揭示，自然界無(wú)機(jī)礦物可轉(zhuǎn)化成太陽(yáng)能系統(tǒng)，地表礦物也有光合作用。

礦物屬于無(wú)機(jī)物，如何發(fā)生光合作用呢？實(shí)際上，已有研究表明，植物把水變成氧氣這一過(guò)程中，錳簇化合物即錳的氧化物（無(wú)機(jī)物）起著關(guān)鍵作用。也就是說(shuō)，無(wú)機(jī)物與光合作用有著莫大關(guān)聯(lián)，甚至可以說(shuō)是生物光合作用的起源。

魯安懷團(tuán)隊(duì)對(duì)中國(guó)北方戈壁、沙漠以及南方喀斯特和紅壤等典型地貌中巖石/土壤樣品進(jìn)行了深入系統(tǒng)觀測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)直接暴露在太陽(yáng)光下的巖石/土壤顆粒體表面普遍覆蓋著一層鐵錳氧化物——“礦物膜”，其結(jié)構(gòu)構(gòu)造與化學(xué)成分顯著區(qū)別于被包覆的巖石或土壤。

他們發(fā)現(xiàn)，這些鐵錳氧化物半導(dǎo)體“礦物膜”能吸收太陽(yáng)光并將其轉(zhuǎn)化成光電子。盡管理論分析顯示，“礦物膜”中的錳氧化物礦物在吸收光能之后具備催化氧化水產(chǎn)生氧氣的潛力，而且能“固定”大氣中二氧化碳，但目前尚未證實(shí)“礦物膜”能否釋放氧氣。

地表“礦物膜”與太陽(yáng)光關(guān)系密切，說(shuō)它是“太陽(yáng)曬出來(lái)的”產(chǎn)物一點(diǎn)都不足為奇。通常，日照越強(qiáng)，“礦物膜”發(fā)育狀況越好，就越“黑亮”，其中錳含量越高，而且富含促進(jìn)其光催化功能的稀土元素鈰（Ce）。富錳礦物僅在日光照射下的紅壤礦物顆粒、喀斯特和戈壁巖石正面“礦物膜”中出現(xiàn)，最常見(jiàn)的是半導(dǎo)體性能優(yōu)良的層狀結(jié)構(gòu)水鈉錳礦，而無(wú)光照的巖石背面則不富集水鈉錳礦。

在全球陸地系統(tǒng)中，深色富錳“礦物膜”的分布恰與太陽(yáng)光的強(qiáng)輻射區(qū)域相吻合。鐵錳氧化物“礦物膜”不僅存在于陸地地表，還存在于海洋透光層中?？梢哉J(rèn)為地表“礦物膜”是地球上分布最廣的天然“太陽(yáng)能薄膜”，從功能上“礦物膜”相當(dāng)于繼地核、地幔和地殼之后的地球第四大圈層，構(gòu)成了地球“新圈層”。魯安懷表示，進(jìn)一步揭示地球“新圈層”功能有助于理解地球物質(zhì)演化、生命起源進(jìn)化與環(huán)境演變的宏觀過(guò)程。

“礦物膜”具有較好的日光響應(yīng)性能，用它制作的電極在可見(jiàn)光照射下能產(chǎn)生明顯的光電流，而光電流的產(chǎn)生主要與鐵錳氧化物有關(guān)。據(jù)文章公布的數(shù)據(jù)，以全球日光平均輻照強(qiáng)度計(jì)算，一平方米沙漠巖石漆平均每秒可釋放22.3萬(wàn)億由光誘導(dǎo)的電子?！斑@些光電子可能是某些細(xì)菌細(xì)胞外能量的重要來(lái)源?！濒敯矐颜f(shuō)，鑒于地表“礦物膜”所覆蓋的陸地面積如此之大，它們所產(chǎn)生的“光合作用”不可忽視。

專家表示，在自然界中，不同半導(dǎo)體礦物的光電子具有不同的能量，可對(duì)地表元素化合態(tài)及其地球化學(xué)循環(huán)路徑乃至微生物胞外電子傳遞產(chǎn)生普遍的影響。魯安懷稱，接下來(lái)他將和團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究，以揭示更多有關(guān)地表“礦物膜”的秘密。