一面是全球性的能源短缺，一面是過(guò)度燃燒化石燃料引發(fā)的全球氣溫升高，無(wú)論是哪一個(gè)問(wèn)題，都足以讓全世界的科學(xué)家們頭疼不已。
有沒(méi)有一種解決方案能夠?qū)⑷紵剂袭a(chǎn)生的溫室氣體轉(zhuǎn)化為稀缺的能源，從而將兩個(gè)棘手問(wèn)題一并掃除？雖然聽(tīng)起來(lái)有些不可思議，但如今科學(xué)家們卻的的確確從植物身上獲得了靈感。
植物啟示錄
一枚樹(shù)葉、一片草地、一個(gè)海藻細(xì)胞，它們獲取能量的方式都是通過(guò)水、陽(yáng)光以及二氧化碳之間的神奇組合——我們稱之為“光合作用”。
得益于樹(shù)葉光合作用帶來(lái)的啟示，哈佛大學(xué)化學(xué)家Daniel Nocera團(tuán)隊(duì)，與哈佛醫(yī)學(xué)院合成生物學(xué)家Pamela Silver的小組一道，將化學(xué)與生物學(xué)技術(shù)完美結(jié)合，成功地復(fù)制、甚至是改進(jìn)了這一奇妙的過(guò)程，最終打造出一個(gè)人工光合作用裝置——“仿生樹(shù)葉”。
“仿生樹(shù)葉”的想法最初來(lái)自于化學(xué)家早些年的想象，他們認(rèn)為終有一天人們會(huì)發(fā)現(xiàn)“植物們守護(hù)著的秘密”，而最重要的“秘密”是水分解成氫氣和氧氣的過(guò)程。“仿生樹(shù)葉”正是借鑒了這一“秘密”，其以太陽(yáng)能電池板作為動(dòng)力，通過(guò)催化劑使陽(yáng)光將水分解為氫氣和氧氣，再利用設(shè)計(jì)出的一種“饑餓”的細(xì)菌將二氧化碳加氫轉(zhuǎn)化為液體燃料異丙醇。
其實(shí)，這并不是這支聯(lián)合團(tuán)隊(duì)打造出的首個(gè)人工光合作用裝置。2015年，被中國(guó)媒體廣泛轉(zhuǎn)載的 “科學(xué)家實(shí)現(xiàn)‘水變油’”的報(bào)道，展現(xiàn)的正是這支團(tuán)隊(duì)的工作，當(dāng)時(shí)他們從每公升水中提取了約216毫克的液體燃料異丙醇。
在最初的實(shí)驗(yàn)中，研究人員的設(shè)計(jì)都依賴于像鉑那樣昂貴的金屬，因此高成本的制造工藝讓裝置普及變得前途渺茫。后來(lái)，為了使這些裝置得到更廣泛的應(yīng)用，Nocera用鎳鉬鋅合金來(lái)替代催化劑鉑。但實(shí)驗(yàn)證明鎳鉬鋅催化劑仍不是一個(gè)非常理想的選擇：這種催化劑極有可能會(huì)產(chǎn)生副作用，從而引發(fā)微生物中毒。
因此，聯(lián)合小組一直試圖尋找一種更加優(yōu)良的催化劑，希望它既可以保持微生物的活性，又能夠有效地對(duì)水進(jìn)行分解。
功夫不負(fù)有心人。近日，在《科學(xué)》雜志的報(bào)告中，研究組表示他們終于找到了理想的催化劑：一種目前已經(jīng)普遍應(yīng)用于塑料和金屬部件防腐涂層、在日常生活中隨處可見(jiàn)的混合物——鈷磷合金。
伴隨著微小的電荷，這種新的催化劑能夠自發(fā)形成常規(guī)水溶液，水中的鈷、磷以及磷酸鹽在“仿生樹(shù)葉”的背面形成薄膜。在足夠高的電壓環(huán)境下，光伏裝置使電流通過(guò)水溶液，并將水分解。更加令人欣喜的是，這種催化劑對(duì)真氧產(chǎn)堿桿菌這類細(xì)菌的存活大為有益。
由于電壓高于形成磷化鈷催化劑所需的電壓，這就意味著當(dāng)“仿生樹(shù)葉”處于工作狀態(tài)時(shí)，總是有足夠的電力用于保持生成催化劑，同時(shí)也意味著并不會(huì)有多余的金屬殘留物毒害微生物或終止水分解活動(dòng)。“催化劑可以一直保持活性，”Nocera表示。據(jù)他介紹，這種新的人工樹(shù)葉可以一次性工作16天。
新的催化劑在將水分解為氫氣和氧氣的同時(shí)還能避免產(chǎn)生活性氧分子——活性氧分子通常會(huì)破壞DNA和其他對(duì)維持生命至關(guān)重要的進(jìn)程。“我也不知道為何如此，”Nocera說(shuō)，“但尋找答案將會(huì)非常有趣。”
環(huán)保的呼喚
得益于這種新催化劑在“仿生樹(shù)葉”上的應(yīng)用，研究小組成功推出了“仿生樹(shù)葉”的“2.0”版本——將裝置生產(chǎn)異丙醇和異丁醇等酒精燃料的效率提升了大約10%。換句話說(shuō)，“仿生樹(shù)葉”每消耗1度電將能生產(chǎn)異丙醇燃料60克——這比自然光合作用將水、陽(yáng)光和空氣轉(zhuǎn)化為能量的效率著實(shí)要高得多。
第一步成功后，緊接著，用真氧產(chǎn)堿桿菌生產(chǎn)其他產(chǎn)品的想法涌入了科學(xué)家們的腦袋，比如化石燃料中復(fù)雜的碳?xì)浞肿�，又或是化肥等等�?ldquo;這賦予了我們對(duì)于再生化學(xué)品行業(yè)新的思考，”Nocera說(shuō)。
而研究團(tuán)隊(duì)也開(kāi)始了新的探索。在《科學(xué)》雜志發(fā)表的文章中，聯(lián)合小組已經(jīng)開(kāi)始嘗試誘導(dǎo)真氧產(chǎn)堿桿菌作為分子，并最終將其轉(zhuǎn)化為塑料。這個(gè)想法的基本原理是通過(guò)反向燃燒，利用化石燃料燃燒剩余的殘留物——聚集在空氣中的二氧化碳——構(gòu)建可再生燃料，就如同植物一樣。
以空氣中多余的二氧化碳為原料產(chǎn)生燃料，這種新型生物反應(yīng)裝置不僅能夠幫助緩解全球變暖等污染問(wèn)題，同時(shí)也能為那些無(wú)法獲得現(xiàn)代能源的人們提供清潔能源。而由于“仿生樹(shù)葉”取材廉價(jià)，催化劑也容易獲得，因此這一能自給自足的廉價(jià)供能單位，對(duì)需要電力的偏遠(yuǎn)地區(qū)和發(fā)展中國(guó)家非常具有吸引力。
“你可以在自家后院做這一工作，而不需要價(jià)值數(shù)十億的大型基礎(chǔ)設(shè)施。”Nocera 說(shuō)，“像‘仿生樹(shù)葉’這樣面向貧困地區(qū)的太陽(yáng)能研究，將為全球可持續(xù)能源發(fā)展的未來(lái)提供最直接的路徑。”
雖然現(xiàn)階段由于規(guī)模的限制使得“仿生樹(shù)葉”中的微生物還無(wú)法高效地產(chǎn)生燃料，但是研究小組卻對(duì)其在未來(lái)的表現(xiàn)充滿期待——畢竟目前并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何限制“仿生樹(shù)葉”裝置擴(kuò)大化的可能。
也許，更為可貴的是，無(wú)機(jī)催化劑與生物技術(shù)的“聯(lián)姻”為科學(xué)研究提供了一個(gè)前所未有的平臺(tái)和可能性。“通過(guò)整合生物學(xué)與有機(jī)化學(xué)技術(shù)，我們打造了一個(gè)強(qiáng)有力的通道，”Nocera補(bǔ)充說(shuō)，“我利用空氣、陽(yáng)光和水做出了比大自然好10倍的東西，這讓我感覺(jué)很好。”■