仿生電子“繼電器”大大提高人造樹葉反應速度

最近，美國亞利桑那州立大學（ASU）科學家和阿爾貢國家實驗室合作，模擬自然界光合作用中的一個重要環節，開發出一種仿生電子\"繼電器\"，大大提高了人造樹葉的反應速度，在廉價高效地利用太陽能把水轉化為氫氣和氧氣方面邁出了重要一步。相關論文在線發表于最近的《自然·化學》上。

\"一開始，我們的人造樹葉表現得并不太好，于是我們查找了問題和原因，發現其中有一個快速化學反應步驟不得不與一種緩慢的化學反應相配合，讓反應變得效率低下。\"ASU化學教授托馬斯·摩爾說，\"快速反應是將光能轉化為化學能，而慢速反應是利用化學能把水轉化成氫氣和氧氣。\"

物理學家組織網2月18日報道稱，研究小組對大自然在光合作用中如何氧化水產生氧氣的過程進行了仔細研究。\"經過詳細觀察，我們發現大自然用了一個中間步驟。\"摩爾說，\"這個中間步驟涉及一種電子'繼電器'，一半的'繼電器'與快速反應相作用，并以最佳方式配合它，另一半'繼電器'就有時間與慢速的水氧化反應相作用，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\"設計了一種人造\"繼電器\"，使反應過程大大改進。

為了驗證這一改進是否取得成功，研究小組用X-射線晶體衍射、光學和磁共振波譜等技術進行了詳細觀察，并分析了新系統是怎樣運作的。他們探測了參與\"繼電器\"的電子和質子的局部電磁環境，并利用質子耦合電子傳遞機制的理論，發現\"繼電器\"有一種獨特的結構特征，原子間異乎尋常的短鍵能促進\"繼電器\"恰當運轉。此外，人造\"繼電器\"的電子結構還有一些微妙的磁特征，也反應了自然系統中發現的特征。

設計出廉價高效的人造樹葉，把水轉化為氫氣和氧氣，是生物質燃料（BISfuel）的目標之一。氫本身是一種重要燃料，也是用重石油原料生產輕質烴的一種必需的反應劑。社會需要分布廣泛、儲量豐富、廉價環保的清潔能源。研究小組不僅改進了人造系統，還更好地掌握了自然系統的運作機制。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，通過發展人造樹葉的方式來可持續地利用太陽能非常重要。

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，并經過了億萬年的埋藏和化學反應，最終成為煤炭、石油和天然氣等。人造樹葉重復的便是這一個過程，只不過它將太陽能轉化為燃料的時間從億萬年壓縮到瞬間。人類能否得到這樣一種事關生存和發展的永不衰竭的新能源？利用仿生學向自然界索取答案絕對是一條好路線，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。