“人工树叶”—又一扇被打开的科学大门

　　哈佛大学能源科学教授丹尼尔·诺塞拉(Daniel Nocera)及其同事受树叶的启发，创造出一种利用细菌将太阳能转化为液体燃料的“人造树叶”系统，将水分解为氧气和氢气，利用经过生物工程改造的特殊细菌会把二氧化碳和氢气转化为液体燃料异丙醇，研究结果发表于知名学术期刊《科学》。在使用纯二氧化碳的条件下，该系统的转化效率可达到10%，即能够捕捉十分之一的太阳能并将其转化为燃料，远高于自然界植物的光合作用的效率(1%)，这很可能会成为人工光合作用取代化石燃料进程的里程碑。

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　　这种新型系统既可以使用纯净的二氧化碳气体，也可以直接利用空气中的二氧化碳，也就意味着该系统为碳中性，不会向大气中排放温室气体。诺塞拉说：“10%的转化效率是在使用纯二氧化碳的条件下才能达到的，如果让细菌自己从空气中捕捉二氧化碳的话，系统转化效率为3%~4%，仍远高于自然光合作用。”

　　自然界中，植物利用太阳光将二氧化碳和水转化为糖类。人工光合作用使用相同的原料(太阳能、水和二氧化碳)可以生产出高能量密度液体燃料。该系统使用两种催化剂将水分解为氧气和氢气，然后将氢气连同二氧化碳一同输入菌室。菌室中经过生物工程改造的特殊细菌会把二氧化碳和氢气转化为液体燃料。

　　两年前，诺塞拉在美国麻省理工学院化学系从事研究工作。他曾经指出，人造树叶的想法来自化学家早些年的想象，终有一天会发现“植物们守护着的秘密”。诺塞拉说，最重要的秘密是水分解成氢气和氧气的过程。在人造树叶两面分别产生氢气和氧气的薄膜中间夹着日光收集器。将人工树叶放入阳光照射下的水中，人造树叶周围会产生气泡，释放出的氢气能用于为燃料电池产生电力。这些能自给自足的廉价供能单位，对需要电力的偏远地区和发展中国家很有吸引力，但迄今为止的设计都依赖像铂那样昂贵的金属和高成本的制造工艺上。

　　为了使这些设备得到更广泛的应用，诺塞拉将用于产生氢气的催化剂铂用镍钼锌合金替代。在叶子的另一面，有一层用钴做的薄膜用来产生氧气。诺塞拉指出，所有这些材料在地球上都十分丰富，不像稀有昂贵的金属铂、贵金属氧化物和已经被其他人使用过的半导体材料。他说：“像人造树叶这样面向贫困地区的太阳能研究，为全球可持续能源发展的未来提供了最直接的路径。”

　　不久后，诺塞拉从麻省理工学院来到哈佛大学，便和希尔韦开始合作。他们在“个性化的能源”或制造能源本地化的理念上达成一致，认为能源本地化将在发展中国家具有吸引力。这是相对于当前的能源系统，比如石油需集中生产，然后送到加油站的制造能源方式。

　　希尔韦说：“我们不想制造出一些超级复杂的系统，相反，正在寻找更为简单易行的使用方式。”而这种人造叶取材廉价，催化剂也很容易获得。

　　希尔韦表示：“所制作的这种催化剂和生物如细菌的生长条件极为适合和匹配。”在新的系统里，一旦仿生叶产生氧气和氢气，氢气会被“喂”给一种真氧产碱杆菌。该细菌中的一种酶把氢还原成质子和电子，并将它们与二氧化碳结合复制更多的细胞。然后，研究人员采用新的方法制造出异丙醇。基于麻省理工学院微生物学和健康科学与技术教授安东尼·辛斯克之前的发现，这种新方法是这种细菌通过新陈代谢过程制造异丙醇。

　　威斯生物工程研究所核心教授组成员之一的西尔弗说：“现在新的研究证明了一个概念，你可以有办法收集太阳能并将其存储在液体燃料的形式中。新发现的这种强大催化剂将其实现了，我们本来想的是要用上几种细菌与收集的太阳能才能对接完成此项任务。现在用一种细菌就可以完成，这真是一个完美匹配的组合。”

　　这篇论文的共同作者、在希尔韦实验室从事生物系统的研究人员布伦丹说：“无机催化剂与生物接口的优点是你有了一个前所未有的平台。从太阳能到化学产品是这篇论文的核心要点，到目前为止，我们一直在使用植物，但是现在正在开发前所未有的生物能力制造大量的化合物。”研究人员认为，同样的原理可以用于生产药物，如少量的维生素

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