从大自然中汲取太阳的力量

一种能比天然叶子更快地从太阳获取能量的人造叶子可能会引领新一代可再生能源和医疗技术的发展。

几亿年来，进化完善了一个过程，使植物能够利用太阳能将二氧化碳和水转化为生长所需的含糖燃料。

在这个过程中涉及的一系列优雅的生化反应是这个星球上生命的一些基本组成部分。

但现在，科学家们已经在大自然的游戏中击败了它，他们创造了一种半人造叶子，其中包含了一些经过进化磨练的成分，从而生产出一种效率提高六倍的设备。

德国波鸿鲁尔大学的化学家Nicolas plumer博士说:“当光合作用的天然成分被整合到人工设备中时，这些设备的电子传递能力比在自然环境中发现的要好。”

作为欧盟资助的PHOTOTECH项目的一部分，他和他的同事们使用了一种在真正的叶子中发现的蛋白质，这种蛋白质在光合作用过程中负责传递电子，从而创造了半人造叶子。

“在光线下，天然树叶或藻类中发现的一种蛋白质每秒可以产生大约50个高能电子，”plumer博士解释说。“当这种蛋白质被合成到人造树叶中时，每秒会产生多达300个高能电子。”

plumer博士希望这种方法最终能带来新的、简单的、廉价的基于光合作用的太阳能电池技术——也被称为光伏电池，尽管他警告说，这项技术要找到商业应用还需要几年的时间。

他说:“大规模的绿色光伏电池可以简单地涂在墙上，在使用地点直接收集太阳能。”该技术还可用于为微型医疗设备提供动力，例如植入隐形眼镜的传感器，用于监测眼泪中的生物标志物。

由于设备所需的蛋白质可以从藻类中获得，与目前太阳能电池板电池所需的稀土金属相比，它的生产成本较低。

“这些光合材料可以在废水中生长，组装它们所必需的化学元素是无限可用的，”plumer博士说。“因此，它们为未来的可持续能源收集设备打开了一个巨大的希望，这些设备本身可以以可持续的方式制造。”

生产能够以环保的方式产生可再生能源的设备，可以在帮助取代地球对污染性化石燃料的依赖方面发挥关键作用。但是这种可再生能源的间歇性使这项任务变得困难。例如，当太阳能电池在晚上不发电时，灯怎么能保持亮着?

分裂水

答案在于储存由这些可再生能源产生的能量，尽管到目前为止，现代电池和其他存储选择提供的能力有限。但科学家们相信光合作用也可能提供一个解决方案。

法国格勒诺布尔阿尔卑斯大学和cea -格勒诺布尔的化学家文森特·阿特罗博士说:“储存可再生能源最有效的方法是生产氢这样的燃料。”“既然太阳能是最丰富的可再生能源，为什么不开发一种直接捕获阳光并将其转化为燃料的工艺呢?””

Artero博士和他的团队复制了一些藻类利用太阳能将水分解成氢和氧的代谢过程。由欧盟欧洲研究委员会资助的photocathode项目旨在将生物染料和催化剂结合到光电化学电池中，生产出一种可以从阳光和水中产生氢气的人造叶子。

“我们的方法使用分子成分，如染料，吸收阳光和催化剂来实现氢气的生产，固定在透明电极上。”阿特罗医生说。“这项工作为新型制氢技术的发展开辟了新的视野。”

模仿自然

但是，了解藻类、植物和细菌如何在分子水平上转换光能，可能会导致更有效的人工光收集系统。一个由欧盟资助的ENLIGHT项目团队正在开发新的理论和计算模型，以揭示这些复杂而独特的系统是如何工作的。

ENLIGHT项目的负责人、意大利比萨大学(University of Pisa)化学家贝内代塔·门努奇(Benedetta Mennucci)教授说，在这些生物体中，光收集是光合作用的第一步，也是最基本的一步。“开发的模型现在可以应用于不同类型的生物体，以了解大自然是否优化了某些特定的特征——所有系统的共同特征——这些特征可以被人造生物模仿。”

这项工作可能对推动一个新兴研究领域至关重要:太阳能驱动化学。其目的是通过直接利用太阳能生产燃料、化学品和材料来模拟自然。

作者:Julianna Photopoulos