“人造树叶”：人造光合作用催生未来能源

前不久，美国加州理工学院的科学家研制出了一种新材料，它是一种用二氧化钛制成的新薄膜镀层，这种镀层能帮助科学家更加有效地把阳光转化成零排放燃料。

利用太阳能发电，我们都很熟悉，但是此次美国科学家并非将太阳能直接转变成电能，而是变成氢等耐贮存的化学燃料。这项研究的主要目标是希望未来“让安装在屋顶和田野里的太阳能发电机直接为汽车、建筑物和工厂生产出液体或者气体燃料”。

看到这则消息，可能有人不禁会问，既然太阳能发电已经在我们的日常生活中广泛应用，为什么还要把太阳能转化为化学能呢？科学家的这项研究难道是在“多此一举”吗？

　　模拟光合作用，带来清洁能源

模拟光合作用所得的氢气和氧气可以作为电池或氢发动机的燃料，具有热值高、功率大等优势

果壳网成员、分子植物学博士研究生郗旺解释说：“目前人工利用太阳能，是利用硅晶片将太阳能直接转化为电能，从而驱动电动机或给电池充电。”但是，相比其他发电方式，目前太阳能电动机还存在功率较低以及一旦对传统设备改装，工程量就很巨大等问题。

美国科学家研究的这项新技术与我们熟悉的太阳能发电技术不同，它模拟了植物的光合作用原理。郗旺为记者介绍了植物光合作用的三个步骤：第一步，植物细胞中包含一种名叫叶绿体的细胞器，叶绿体中含有叶绿素，叶绿素受到光照后，能够将细胞中的水分解为氧气、氢离子和电子；第二步，氢离子和电子与叶片吸收的二氧化碳一起，被叶绿体中的酶用来合成糖类；第三步，氧气被释放出去，而糖类则留在植物体内被植物使用。对于植物的光合作用，他总结道：“总的来说，植物的光合作用是植物利用光能，将水和二氧化碳合成糖类和氧气的过程。”

相比传统太阳能发电技术，美国科学家的这项新技术模拟了光合作用原理的第一步，即利用光能将水分解为氧气和氢气，得到的氢气和氧气燃烧，产生能量，为人们所用。换句话说，人们以水为媒介，从而将光能变成了动力。对此，郗旺的评价是：“模拟光合作用所得到的氢气和氧气可以作为电池或氢发动机的燃料，具有热值高、功率大等优势，发展前景极好。”

　　与“人造树叶”原理相同

原料是水，发电后生成物也是水，或许在不久的将来，我们每家每户都能用上这样的绿色清洁能源

事实上，在科学界，模拟光合作用的研究并不是从现在才开始的。早在1998年，美国科罗拉多州的约翰·特纳博士就研制出了世界上第一片人造叶子。到了2011年，美国麻省理工学院的科学家诺塞拉博士也公布了自己团队研发的新型人造叶子，它有扑克牌一般大小，却没有粗细不等的叶脉，取而代之的是各种电子元件；它也没有普通树叶常见的绿颜色，看上去就像一块亮晶晶的遮光板。

科学家在研发这种新型叶子的过程中，克服了之前人造叶子造价昂贵、使用周期短、材料遇水易锈蚀等问题，它的基础材料是硅，只要浸泡在水中，经过太阳光的照射，便可以模拟光合作用，将水分解为氢气和氧气，而这些气体储存起来可用于发电。在很多人看来，与其说这是一片“叶子”，不如说它是一块高级的太阳能电池。

对此，郗旺说，这次加州理工学院的科学家模拟人造光合作用的技术与2011年诺塞拉博士的新型人造叶子使用的是相同的原理，“只不过，这两种技术使用的催化媒介不同，一个是硅基的，另一个是钛基的，因此反应效率也略有差异。”同时，他指出，人造光合作用是一种十分经济且环保的发电方式，原料是水，发电后生成物也是水，一旦技术成熟，不久的将来，我们每家每户都能用上这样的绿色清洁能源，作为自己的“发电站”。

“光合作用原理”可被广泛利用

可以高效地合成糖类等有机物，解决食品短缺的问题；可降低大气中的二氧化碳浓度，减少温室效应

“人造光合作用”转化为化学能的技术虽好，但现在还存在效率不尽如人意、材料成本过高等缺陷。因此，郗旺说，对于模拟光合作用技术来说，下一个目标是提高对光的利用效率，即使用更少的光来分解更多的水，同时降低材料的成本。

实际上，自然界中的光合作用是支撑地球生命的基础，它为地球上的无数生物提供氧气和食物，也以煤炭等形式为人类提供了能源。除了模拟光合作用原理产生氢气和氧气，可以很大程度上解决能源短缺问题之外，对于植物的光合作用原理本身，人类可利用的范围并不仅限于此。

郗旺列举了一些利用光合作用原理的应用，而这些都可以成为科学界未来努力的方向。例如我们可以高效地合成糖类等有机物，从而解决食品短缺的问题；另外，光合作用吸收二氧化碳而释放氧气，如果能够大规模人工模拟，那么就可以降低大气中的二氧化碳浓度，减少温室效应。不过，对于这些应用还有许多技术难关有待突破，“特别是如果想模拟自然界的光合作用来获得氧气和糖的话，最困难的应该在于如何模仿叶绿体内极为复杂的酶系统，持续、高效地将二氧化碳合成糖类。”郗旺说。

无论如何，毕竟太阳能在人类可预见的时间内是取之不尽、用之不竭的，所以我们有理由相信，在对光合作用的利用上，未来，人类定能大有作为。