光能作為一種清潔能源，一直都是全球科學(xué)家研究的重點(diǎn)對(duì)象。如果能夠?qū)⑦@份能量轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定可用的能量形態(tài)，并且擁有較高的能量轉(zhuǎn)化率，人類文明將進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)代。但是，想要實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)化率的光能轉(zhuǎn)換并不是一件容易的事，就連目前最成功的光能利用技術(shù)——光伏發(fā)電還都存在著不少難以被克服的問題，比如不能連續(xù)工作以及需要長(zhǎng)距離電力傳輸?shù)热秉c(diǎn)。因此，科學(xué)家們將目光從人工的光伏發(fā)電轉(zhuǎn)移到了自然界中。

如果能夠在自然界中找到一種能夠吸收光能并將之轉(zhuǎn)化儲(chǔ)存的辦法，利用人類的智慧對(duì)其加以設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)“能源自由”指日可待，植物便是這一思路中的其中一個(gè)研究對(duì)象。植物體內(nèi)存在著一種特殊的能量利用方式——光合作用。它是一種自然發(fā)生在植物體內(nèi)的反應(yīng)，能夠自行利用無機(jī)物將光能轉(zhuǎn)化為體內(nèi)的化學(xué)能進(jìn)行儲(chǔ)存。通過光合作用，植物能夠利用光能、水和CO2來合成自己體內(nèi)的有機(jī)物，同時(shí)釋放氧氣。

但是，自然界中的天然光合作用也并非完美無缺。首先，能夠被植物利用的只有波長(zhǎng)在400～700nm的可見光，也就是我們熟知的彩虹光帶。這也意味著，一些肉眼不可見的光會(huì)被浪費(fèi)掉，比如驗(yàn)鈔機(jī)中的紫外線和紅外探測(cè)器中的紅外光等。

同時(shí)，植物對(duì)綠光的低吸收率、自身的光保護(hù)機(jī)制和低下的光能傳遞效率等因素都影響了光合作用的效率。因此，天然光合作用中光能到化學(xué)能轉(zhuǎn)換效率通常低于1%，哪怕是在最優(yōu)的條件也僅能達(dá)到7%左右。盡管悉尼大學(xué)Chen Min團(tuán)隊(duì)和賓夕法尼亞州立大學(xué)Roberta Croce團(tuán)隊(duì)先后發(fā)現(xiàn)能夠利用部分紅外光的葉綠素，也有科學(xué)家試圖通過遺傳改造獲得能進(jìn)行高效率光合作用的光合植物，但受限于天然光合系統(tǒng)的固有特性，天然光合作用的效率仍很難進(jìn)一步提升。同時(shí)，通過人工干預(yù)改造光合生物（如遺傳改造、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化酶等）也有遺傳改造周期長(zhǎng)、對(duì)原生物造成較大負(fù)擔(dān)等弊端，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值有所欠缺。

既然天然光合作用不能較好地滿足科學(xué)家的預(yù)期，不如通過仿生設(shè)計(jì)去模擬天然光合作用的人工光合作用。這個(gè)設(shè)想由科學(xué)家Ciamician在1912年提出，他通過模擬天然光合作用，利用半導(dǎo)體材料作為光催化劑捕獲光能，通過發(fā)生電荷分離，產(chǎn)生電子和空穴對(duì)來驅(qū)動(dòng)光還原反應(yīng)：還原CO2，合成H2和固氮反應(yīng)。最終取得了不錯(cuò)的效果。在科學(xué)家的優(yōu)化和調(diào)整下，目前人工光合作用已經(jīng)具有超過20%的光電轉(zhuǎn)換效率和簡(jiǎn)單、可控、易規(guī)?；瘍?yōu)化等特點(diǎn)。但較高的造價(jià)、原材料的不穩(wěn)定以及低利用價(jià)值的混合產(chǎn)物依然阻擋著大規(guī)模的人工光合作用的實(shí)現(xiàn)。

為解決人工光合作用的弊端，全球的科學(xué)家們探索了一種半人工的光合作用。目前科學(xué)前沿的研究方向有兩個(gè)。其一是基于生物光吸收劑的雜化體。這種雜化體通過將植物體內(nèi)進(jìn)行光合作用的重要物質(zhì)分離提純，如從光合生物體中分離出能夠捕獲光能的PSⅠ和能夠催化水氧化的PSⅡ這兩個(gè)光系統(tǒng)，并將之與特殊材料或電極復(fù)合，從而實(shí)現(xiàn)將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能并儲(chǔ)存起來的目的。這種由生物質(zhì)為材料提供電子的方法便是基于生物光吸收劑的雜化體。目前在科學(xué)界中，基于PSⅠ和PSⅡ所構(gòu)建的雜化體已成功在光的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)全水分解，生產(chǎn)出H2和甲酸用以后續(xù)的光合作用。但是，這種分離光系統(tǒng)的方法不僅過程煩瑣，而且缺少穩(wěn)定性，因此更適合用來研究生物—材料界面電子傳遞機(jī)制。

而第二種改進(jìn)方法——基于材料光吸收劑的雜化體與第一種有異曲同工之妙，只不過它們并不是從植物身上直接獲得物質(zhì)進(jìn)行復(fù)合，而是通過尋找其他能夠吸收光能的其他材料，如分子染料、半導(dǎo)體、光響應(yīng)電極等來模擬生物光吸收劑，將他們與酶或微生物放到一起并構(gòu)建雜化體，由材料提供電子給生物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)，最終提高雜化體的性能。目前大致分為材料—酶雜化體和材料—微生物雜化體兩個(gè)方向。前者通過材料吸收光能直接或間接為相關(guān)的酶提供所需的高能電子，人為增加催化材料來促進(jìn)酶的工作，方法簡(jiǎn)單的同時(shí)能夠增加酶轉(zhuǎn)化光能的效率；后者則是將產(chǎn)生的高能電子直接供給微生物細(xì)胞。這樣的方式能夠充分地利用微生物細(xì)胞內(nèi)代謝系統(tǒng)和生物體內(nèi)各種酶之間的關(guān)聯(lián)性的整體性，產(chǎn)生更多復(fù)雜產(chǎn)物。這也是目前國內(nèi)外許多實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)的研究方向。

雖然在現(xiàn)在的科學(xué)界中，雜化體的光驅(qū)生物催化仍然處于初具雛形的階段，但是隨著更多新材料不斷被人類發(fā)現(xiàn)與合成，人工光合作用的雜化體系將會(huì)不斷完善，未來人工光合作用一定能夠投入規(guī)?；褂茫瑸榻鉀Q能源問題作出巨大貢獻(xiàn)。

鄔皓宇（2003—），男，漢族

單 " "位：重慶大學(xué)航空航天學(xué)院

研究方向：力學(xué)、科普教育和創(chuàng)新思維方法

王燦（2003—），男，漢族

單 " "位：重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

研究方向：材料創(chuàng)新設(shè)計(jì)及科普教育

張育新（1978—），男，漢族

單 " "位：重慶大學(xué)

職務(wù)職稱：重慶大學(xué)研究生院副院長(zhǎng)，教授

研究方向：硅藻新材料的制備與應(yīng)用