仿生電子“繼電器”提高人造樹葉反應(yīng)速度

　　最近，美國亞利桑那州立大學(xué)(ASU)科學(xué)家和阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室合作，模擬自然界光合作用中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，開發(fā)出一種仿生電子“繼電器”，大大提高了人造樹葉的反應(yīng)速度，在廉價(jià)高效地利用太陽能把水轉(zhuǎn)化為氫氣和氧氣方面邁出了重要一步。相關(guān)論文在線發(fā)表于最近的《自然·化學(xué)》上。

　　“一開始，我們的人造樹葉表現(xiàn)得并不太好，于是我們查找了問題和原因，發(fā)現(xiàn)其中有一個(gè)快速化學(xué)反應(yīng)步驟不得不與一種緩慢的化學(xué)反應(yīng)相配合，讓反應(yīng)變得效率低下。”ASU化學(xué)教授托馬斯·摩爾說，“快速反應(yīng)是將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，而慢速反應(yīng)是利用化學(xué)能把水轉(zhuǎn)化成氫氣和氧氣。”

　　物理學(xué)家組織網(wǎng)2月18日?qǐng)?bào)道稱，研究小組對(duì)大自然在光合作用中如何氧化水產(chǎn)生氧氣的過程進(jìn)行了仔細(xì)研究。“經(jīng)過詳細(xì)觀察，我們發(fā)現(xiàn)大自然用了一個(gè)中間步驟。”摩爾說，“這個(gè)中間步驟涉及一種電子‘繼電器’，一半的‘繼電器’與快速反應(yīng)相作用，并以最佳方式配合它，另一半‘繼電器’就有時(shí)間與慢速的水氧化反應(yīng)相作用，形成一種有效的方式。”他們隨之模仿自然界光合作用中的“繼電器”設(shè)計(jì)了一種人造“繼電器”，使反應(yīng)過程大大改進(jìn)。

　　為了驗(yàn)證這一改進(jìn)是否取得成功，研究小組用X-射線晶體衍射、光學(xué)和磁共振波譜等技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)觀察，并分析了新系統(tǒng)是怎樣運(yùn)作的。他們探測了參與“繼電器”的電子和質(zhì)子的局部電磁環(huán)境，并利用質(zhì)子耦合電子傳遞機(jī)制的理論，發(fā)現(xiàn)“繼電器”有一種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征，原子間異乎尋常的短鍵能促進(jìn)“繼電器”恰當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，人造“繼電器”的電子結(jié)構(gòu)還有一些微妙的磁特征，也反應(yīng)了自然系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的特征。

　　設(shè)計(jì)出廉價(jià)高效的人造樹葉，把水轉(zhuǎn)化為氫氣和氧氣，是生物質(zhì)燃料(BISfuel)的目標(biāo)之一。氫本身是一種重要燃料，也是用重石油原料生產(chǎn)輕質(zhì)烴的一種必需的反應(yīng)劑。社會(huì)需要分布廣泛、儲(chǔ)量豐富、廉價(jià)環(huán)保的清潔能源。研究小組不僅改進(jìn)了人造系統(tǒng)，還更好地掌握了自然系統(tǒng)的運(yùn)作機(jī)制。太陽能為人類提供了食物、燃料和纖維，但隨著人類需求不斷增長，通過發(fā)展人造樹葉的方式來可持續(xù)地利用太陽能非常重要。

　　總編輯圈點(diǎn)

　　太陽能是地球的能源之母，幾乎所有的化石燃料都是通過植物將太陽能固定，并經(jīng)過了億萬年的埋藏和化學(xué)反應(yīng)，最終成為煤炭、石油和天然氣等。人造樹葉重復(fù)的便是這一個(gè)過程，只不過它將太陽能轉(zhuǎn)化為燃料的時(shí)間從億萬年壓縮到瞬間。人類能否得到這樣一種事關(guān)生存和發(fā)展的永不衰竭的新能源?利用仿生學(xué)向自然界索取答案絕對(duì)是一條好路線，甚至在模擬光合作用之前，樹葉的排列方式就已為高效利用太陽能作出了貢獻(xiàn)。