神奇的人造树叶

获取安全燃料

从树叶里发生的一种化学变化受到启发，美国加州理工学院的科学家们开发出一种新的氧化镍导电薄膜。它复制自然界中植物利用阳光将水、二氧化碳转化成氧气和碳水化合物类燃料的过程，构建了一个安全、高效的人工光合作用系统，俗称“人工树叶”。通过这种导电薄膜，可以解决利用阳光将水分解成氢燃料中出现的问题。例如，硅这种半导体在导电过程中极易氧化生锈，在加入氧化镍薄膜就能够起到防止生锈的作用，与此同时促进阳光的分解作用，获得更多的像甲烷或者氢这样的燃料。？？？

“人工树叶”是加州理工大学人工光合作用联合中心（JCAP）开发的，由光阳极、光阴极和薄膜三个主要的部分组成。其中光阳极利用阳光氧化水分子产生氧气、质子和电子；光阴极利用光阳极产生的质子和电子合成氢气；用塑料制成的薄膜可将这两种气体隔开，以防止任何可能性的爆炸。然后在一定的压力作用下，这些气体会被压入管道收集起来。

加州理工学院化学教授奈特？路易斯是JCAP的科学带头人，他曾经用硅或者砷化镓这类用在太阳能电池板上能够吸收光的普通半导体来制作电极，然而这些材料碰到水容易氧化，也就是生锈。后来他和其他科学家尝试在这些电极上加一层保护膜，但均告失败。因为理想的保护膜要求很高，要与它所覆盖的半导体能在化学上相容，不透水，能导电，保证透光，容易被催化产生反应，释放氧和燃料。而路易斯团队这次研制的氧化镍薄膜完全符合上述各项要求，是一项重大的飞跃。它可以用在包括硅、磷化铟、碲化镉在内的多种半导体材料上。尤其在保护光阳极上，氧化镍薄膜的优越性能远远超过了其他类似的保护膜。

制作氧化镍薄膜新技术需要将粉碎的氩原子在富氧环境下放入高速转动的镍原子颗粒中。在这个过程中，从氩原子中溅射下来镍原子碎片与氧原子发生反应，生成一种镍的氧化物，沉淀在半导体上形成了保护膜。最关键的是这种新型的氧化镍薄膜能够很好地配合另外一张重要的膜，这张膜负责将释放氢气的光阳极与释放氧气的光阴极隔开，互不干涉。如果没有这张隔膜，光阳极和光阴极会因为靠得太近而放电，再遇上刚由它们自己释放出的活泼的氧气氢气，随时都可能发生爆炸。而有了氧化镍薄膜，就能一次性地制造出一个没有爆炸相对安全且持久高效的人工光合作用机器。

路易斯指出，人工光合作用机器投入商业市场还需要很长一段时间。这个系统的其他部分比如光阴极还有待于进一步改善。目前要做的就是把这两个部分都做好，给大家呈现完整的人工光合作用系统以及它的运作过程。

提供氧气来源

英国皇家艺术学院研究生朱利安？梅尔奇奥里近日发明了一种名为“Silk？Leaf”的人造生物树叶，这是人类第一片和自然界的树叶一样可以进行光合作用的叶子，只需要二氧化碳、水、光，就能产生氧气。这种神奇的新材料可以给执行长时间太空使命的宇航员提供稳定的氧气来源，甚至帮助人类移居新的星球。

根据朱利安所说，“Silk？ Leaf”由悬浮在丝蛋白层上的叶绿体组成，形成一片清新的绿油油的颜色，仅仅利用一点光源即可让它释放出氧气。而且这种物质从天然丝纤维提取，能够储存更多的制氧材料。“Silk？Leaf”在分子的稳定性上有很出色的表现，使得人造材料也能像植物那样进行光合作用，即在太空环境下也能保持这种稳定性。

美国航天航空局（NASA）表示，由于外太空不存在可以让植物存活的土地、阳光、水分、土壤和重力，因此没有树木和其他植物的氧气制造工厂，致使缺氧成为目前人类在太空旅行中面临的一大难题。科学家们正在研究不同的太空制氧方式。而“Silk？Leaf”这种人造生物树叶的出现令人振奋，为进一步探索太空提供了可能。

“Silk？Leaf”是英国皇家学院艺术创新设计工程课程与美国塔斯夫大学Silk实验室合作的研究项目的一部分。除了在太空旅行有着广阔的使用前景之外，这种材料还可以为地球上的人提供新鲜的空气。朱利安指出，“Silk？Leaf”消耗的能量很少，可以成为现代建筑的一部分，以吸收二氧化碳。无论是室内还是室外，人们只需在大楼的外墙、通风系统以及室内的灯罩等表面涂上这种叶片材料，就能呼吸到新鲜的空气。

现在，不少科研院所都在研究人造树叶。2015年4月初，美国麻省理工学院科学家丹尼尔？诺塞拉领导的研究小组成功开发出：一种神奇的太阳能人造树叶，为地球能源枯竭问题提供了新的解决方案。研究表明，要想避免极具破坏性的全球变暖，人们至少要生产超过10万亿瓦的无碳清洁能源，而太阳能正是拯救能源危机的关键，因此太阳能人造树叶有可能成为能源革命的一个突破点。

它只有扑克牌大小，内含一块薄薄的硅片，里面排列着众多交错的微小水流管道。在太阳照射下，水流过树叶时，叶子中枢茎秆系统就会启动电解程序，依靠催化剂产生化学反应，把水进一步分解成氧和氢。这时只需要将氢气储存起来，便可转变成燃料电池所需的电能，实现“零排放”。

太阳能人造树叶所需材料的价格较为实惠，而且可以在脏水环境中实现能量制造。现在世界上还有很多地方不能获得稳定的电力来源，得益于这项技术，发展中国家的一些村庄在不久的将来就可用上承担得起的基本电力设备。

产生液体燃料

哈佛大学生物学家最近研发的“仿生叶”能够截获阳光中的能量，并转化为可用来驱动汽车发动机的液体燃料。这是一种升级版的人造叶子，将为人类提供潜在的未来能源。在此之前，科学家掌握了人造叶子的工作机制，利用太阳光照的能量形成能用于燃料电池的氢。为了满足汽车和其他车辆的发动机使用液体燃料的需要，哈佛大学的研究人员开发了这种新型的“仿生叶”，不但能够利用太阳能产生氢和氧，而且可以满足细菌产生异丙醇的条件。作为燃料使用，异丙醇有些类似酒精或者汽油。

为了分离出质子和电子，哈佛大学的研究人员在新型叶子中使用了一种酶，在与二氧化碳结合的下一个循环中形成异丙醇。参与本项研究的科学家来自哈佛医学院、艺术与科学学院以及该校的生物工程研究所，主持研究的丹尼尔・诺塞拉教授表示：“我们只要把人造叶子暴露在空气中，让其接受阳光的照射，就能够利用空气中的二氧化碳生产出可供汽车使用的液体燃料，获得源源不断的动力。”

本项研究的核心思路是使用阳光来产生化学燃料，当务之急是提高人造叶子的转化效率，科学家下一步的实验重点将研发优质的催化剂和细菌。诺塞拉教授指出，自然界中光合作用生物效率为1%，现在要做的就是将转化效率提升5倍，达到5%。