一面是全球性的能源短缺，一面是過度燃燒化石燃料引發的全球氣溫升高，無論是哪一個問題，都足以讓全世界的科學家們頭疼不已。
有沒有一種解決方案能夠將燃燒化石燃料產生的溫室氣體轉化為稀缺的能源，從而將兩個棘手問題一并掃除？雖然聽起來有些不可思議，但如今科學家們卻的的確確從植物身上獲得了靈感。
植物啟示錄
一枚樹葉、一片草地、一個海藻細胞，它們獲取能量的方式都是通過水、陽光以及二氧化碳之間的神奇組合——我們稱之為“光合作用”。
得益于樹葉光合作用帶來的啟示，哈佛大學化學家Daniel Nocera團隊，與哈佛醫學院合成生物學家Pamela Silver的小組一道，將化學與生物學技術完美結合，成功地復制、甚至是改進了這一奇妙的過程，最終打造出一個人工光合作用裝置——“仿生樹葉”。
“仿生樹葉”的想法最初來自于化學家早些年的想象，他們認為終有一天人們會發現“植物們守護著的秘密”，而最重要的“秘密”是水分解成氫氣和氧氣的過程。“仿生樹葉”正是借鑒了這一“秘密”，其以太陽能電池板作為動力，通過催化劑使陽光將水分解為氫氣和氧氣，再利用設計出的一種“饑餓”的細菌將二氧化碳加氫轉化為液體燃料異丙醇。
其實，這并不是這支聯合團隊打造出的首個人工光合作用裝置。2015年，被中國媒體廣泛轉載的 “科學家實現‘水變油’”的報道，展現的正是這支團隊的工作，當時他們從每公升水中提取了約216毫克的液體燃料異丙醇。
在最初的實驗中，研究人員的設計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，為了使這些裝置得到更廣泛的應用，Nocera用鎳鉬鋅合金來替代催化劑鉑。但實驗證明鎳鉬鋅催化劑仍不是一個非常理想的選擇：這種催化劑極有可能會產生副作用，從而引發微生物中毒。
因此，聯合小組一直試圖尋找一種更加優良的催化劑，希望它既可以保持微生物的活性，又能夠有效地對水進行分解。
功夫不負有心人。近日，在《科學》雜志的報告中，研究組表示他們終于找到了理想的催化劑：一種目前已經普遍應用于塑料和金屬部件防腐涂層、在日常生活中隨處可見的混合物——鈷磷合金。
伴隨著微小的電荷，這種新的催化劑能夠自發形成常規水溶液，水中的鈷、磷以及磷酸鹽在“仿生樹葉”的背面形成薄膜。在足夠高的電壓環境下，光伏裝置使電流通過水溶液，并將水分解。更加令人欣喜的是，這種催化劑對真氧產堿桿菌這類細菌的存活大為有益。
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“仿生樹葉”處于工作狀態時，總是有足夠的電力用于保持生成催化劑，同時也意味著并不會有多余的金屬殘留物毒害微生物或終止水分解活動。“催化劑可以一直保持活性，”Nocera表示。據他介紹，這種新的人工樹葉可以一次性工作16天。
新的催化劑在將水分解為氫氣和氧氣的同時還能避免產生活性氧分子——活性氧分子通常會破壞DNA和其他對維持生命至關重要的進程。“我也不知道為何如此，”Nocera說，“但尋找答案將會非常有趣。”
環保的呼喚
得益于這種新催化劑在“仿生樹葉”上的應用，研究小組成功推出了“仿生樹葉”的“2.0”版本——將裝置生產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，“仿生樹葉”每消耗1度電將能生產異丙醇燃料60克——這比自然光合作用將水、陽光和空氣轉化為能量的效率著實要高得多。
第一步成功后，緊接著，用真氧產堿桿菌生產其他產品的想法涌入了科學家們的腦袋，比如化石燃料中復雜的碳氫分子，又或是化肥等等。“這賦予了我們對于再生化學品行業新的思考，”Nocera說。
而研究團隊也開始了新的探索。在《科學》雜志發表的文章中，聯合小組已經開始嘗試誘導真氧產堿桿菌作為分子，并最終將其轉化為塑料。這個想法的基本原理是通過反向燃燒，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生燃料，這種新型生物反應裝置不僅能夠幫助緩解全球變暖等污染問題，同時也能為那些無法獲得現代能源的人們提供清潔能源。而由于“仿生樹葉”取材廉價，催化劑也容易獲得，因此這一能自給自足的廉價供能單位，對需要電力的偏遠地區和發展中國家非常具有吸引力。
“你可以在自家后院做這一工作，而不需要價值數十億的大型基礎設施。”Nocera 說，“像‘仿生樹葉’這樣面向貧困地區的太陽能研究，將為全球可持續能源發展的未來提供最直接的路徑。”
雖然現階段由于規模的限制使得“仿生樹葉”中的微生物還無法高效地產生燃料，但是研究小組卻對其在未來的表現充滿期待——畢竟目前并沒有發現任何限制“仿生樹葉”裝置擴大化的可能。
也許，更為可貴的是，無機催化劑與生物技術的“聯姻”為科學研究提供了一個前所未有的平臺和可能性。“通過整合生物學與有機化學技術，我們打造了一個強有力的通道，”Nocera補充說，“我利用空氣、陽光和水做出了比大自然好10倍的東西，這讓我感覺很好。”■