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光將水、二氧化碳轉(zhuǎn)化成氧氣和碳水化合物類燃料的過程，構(gòu)建了一個安全、高效的人工光合作用系統(tǒng)，俗稱“人工樹葉”。通過這種導(dǎo)電薄膜，可以解決利用陽光將水分解成氫燃料中出現(xiàn)的問題。例如，硅這種半導(dǎo)體在導(dǎo)電過程中極易氧化生銹，在加入氧化鎳薄膜就能夠起到防止生銹的作用，與此同時促進(jìn)陽光的分解作用，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，由光陽極、光陰極和薄膜三個主要的部分組成。其中光陽極利用陽光氧化水分子產(chǎn)生氧氣、質(zhì)子和電子；光陰極利用光陽極產(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，這些氣體會被壓入管道收集起來。

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能電池板上能夠吸收光的普通半導(dǎo)體來制作電極，然而這些材料碰到水容易氧化，也就是生銹。后來他和其他科學(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)光陽極上，氧化鎳薄膜的優(yōu)越性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其他類似的保護(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)動的鎳原子顆粒中。在這個過程中，從氬原子中濺射下來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)將釋放氫氣的光陽極與釋放氧氣的光陰極隔開，互不干涉。如果沒有這張隔膜，光陽極和光陰極會因?yàn)榭康锰烹姡儆錾蟿傆伤鼈冏约横尫懦龅幕顫姷难鯕鈿錃猓S時都可能發(fā)生爆炸。而有了氧化鎳薄膜，就能一次性地制造出一個沒有爆炸相對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)市場還需要很長一段時間。這個系統(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)作過程。

提供氧氣來源

英國皇家藝術(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)行長時間太空使命的宇航員提供穩(wěn)定的氧氣來源，甚至幫助人類移居新的星球。

根據(jù)朱利安所說，“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，能夠儲存更多的制氧材料。“Silk？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、陽光、水分、土壤和重力，因此沒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。科學(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”是英國皇家學(xué)院藝術(shù)創(chuàng)新設(shè)計工程課程與美國塔斯夫大學(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：一種神奇的太陽能人造樹葉，為地球能源枯竭問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10萬億瓦的無碳清潔能源，而太陽能正是拯救能源危機(jī)的關(guān)鍵，因此太陽能人造樹葉有可能成為能源革命的一個突破點(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的微小水流管道。在太陽照射下，水流過樹葉時，葉子中樞莖稈系統(tǒng)就會啟動電解程序，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。這時只需要將氫氣儲存起來，便可轉(zhuǎn)變成燃料電池所需的電能，實(shí)現(xiàn)“零排放”。

太陽能人造樹葉所需材料的價格較為實(shí)惠，而且可以在臟水環(huán)境中實(shí)現(xiàn)能量制造。現(xiàn)在世界上還有很多地方不能獲得穩(wěn)定的電力來源，得益于這項(xiàng)技術(shù)，發(fā)展中國家的一些村莊在不久的將來就可用上承擔(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”能夠截獲陽光中的能量，并轉(zhuǎn)化為可用來驅(qū)動汽車發(fā)動機(jī)的液體燃料。這是一種升級版的人造葉子，將為人類提供潛在的未來能源。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)合的下一個循環(huán)中形成異丙醇。參與本項(xiàng)研究的科學(xué)家來自哈佛醫(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，獲得源源不斷的動力。”

本項(xiàng)研究的核心思路是使用陽光來產(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%。