殘忍的陽(yáng)光
9月5日出版的《自然化學(xué)》雜志著重介紹了美國(guó)麻省理工學(xué)院的化學(xué)工程師斯特拉諾等人的這項(xiàng)研究，并稱(chēng)這一項(xiàng)研究為生產(chǎn)廉價(jià)、具備自我修復(fù)功能、使用期限可以無(wú)限延長(zhǎng)的太陽(yáng)能電池打下了基礎(chǔ)。此后的幾天時(shí)間里，包括英國(guó)廣播公司、美國(guó)《發(fā)現(xiàn)》雜志網(wǎng)站、美國(guó)《大眾科學(xué)》網(wǎng)站、美國(guó)《技術(shù)評(píng)論》雜志網(wǎng)站等主流媒體都對(duì)這一研究進(jìn)行了報(bào)道，預(yù)示著這項(xiàng)技術(shù)或?qū)?lái)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的大變革。
眾所周知，陽(yáng)光是地球上生命的源泉，但它的破壞性卻不能被忽略。人類(lèi)為何會(huì)變老？放在太陽(yáng)下的紙片、塑料等為何會(huì)輕易報(bào)廢？美國(guó)麻省理工學(xué)院的化學(xué)工程師斯特拉諾解釋說(shuō)，這一切都是因?yàn)殛?yáng)光中的紫外線(xiàn)在與氧氣混合后，會(huì)有很大的破壞力。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的照射，再堅(jiān)固的物體都會(huì)慢慢瓦解。“即使是專(zhuān)門(mén)吸收陽(yáng)光的植物葉片在陽(yáng)光下曝曬過(guò)久后，也會(huì)漸漸失去功效，更何況太陽(yáng)能電池等其他的物體。”斯特拉諾說(shuō)。因此即使對(duì)于吸收陽(yáng)光的樹(shù)葉來(lái)說(shuō)，陽(yáng)光也是殘忍的。當(dāng)植物全力地進(jìn)行光合作用時(shí)，如果不采取防護(hù)措施，樹(shù)葉也會(huì)被氧氣、紫外線(xiàn)等破壞性分子毀壞。
大自然的啟示
美國(guó)《大眾科學(xué)》網(wǎng)站介紹，樹(shù)上的樹(shù)葉與太陽(yáng)能板上的光伏電池一樣，看上去都是在靜止不動(dòng)的情況下吸收陽(yáng)光。然而，樹(shù)葉其實(shí)有一個(gè)非常精彩的“內(nèi)心世界”。由于陽(yáng)光直射的破壞力實(shí)在太大，葉片內(nèi)部的蛋白質(zhì)每隔大約45分鐘就必須循環(huán)一次，形成新的光合反應(yīng)中心，替代已被日光烘烤近1小時(shí)的老光合反應(yīng)中心，避免陽(yáng)光帶來(lái)的傷害。這是經(jīng)過(guò)千萬(wàn)年的進(jìn)化后大自然賦予樹(shù)葉的生存技能。這種快速的自我修復(fù)程序也讓植物可以在充分享受陽(yáng)光的同時(shí)不至于“飛蛾撲火”。
樹(shù)葉的這種自我修復(fù)功能激發(fā)了斯特拉諾，以及來(lái)自伊利諾伊州立大學(xué)的斯里格爾、懷特等人的靈感，想到模擬樹(shù)葉的這一技能，可以讓一直被陽(yáng)光烘烤的太陽(yáng)能電池自行修復(fù)。目前人們對(duì)太陽(yáng)能電池的研究大都局限在如何提高轉(zhuǎn)化效率、如何延長(zhǎng)使用壽命上，但卻很少有人想到開(kāi)發(fā)電池的再生功能，讓其無(wú)止境地工作下去。該研究如此的獨(dú)特性引起了其他業(yè)界同行的巨大興趣。美國(guó)德克薩斯A&M大學(xué)納米復(fù)合材料教授格倫蘭將該技術(shù)稱(chēng)為“人造的翻版自然技能”，同時(shí)認(rèn)為它是“開(kāi)拓性的、對(duì)以后發(fā)展有巨大影響的研究”，因?yàn)?ldquo;以前還從未有過(guò)類(lèi)似的研究”。英國(guó)布里斯托大學(xué)的生物化學(xué)家約翰認(rèn)為，這項(xiàng)研究“雖然非常簡(jiǎn)單，但卻十分實(shí)用。”
自我修復(fù)太陽(yáng)能電池
在了解到樹(shù)葉內(nèi)光合作用中心的循環(huán)特點(diǎn)后，斯德拉諾及其研究團(tuán)隊(duì)就決定，與其制造使用壽命超長(zhǎng)的太陽(yáng)能電池，還不如向自然學(xué)習(xí)，走太陽(yáng)能電池自我修復(fù)之路。試驗(yàn)開(kāi)始階段，研究人員使用的是一種紫細(xì)菌中采集陽(yáng)光的光合反應(yīng)中心。隨后，他們將反應(yīng)中心里加入了一些感光蛋白質(zhì)、脂類(lèi)，用于形成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；以及碳納米管，用做導(dǎo)線(xiàn)傳導(dǎo)產(chǎn)生的電力。這些工作完成后，所有零部件都將放入一個(gè)裝滿(mǎn)水（水中含有膽酸鈉，一種讓所有部件凝聚的表面活性劑）的透析袋中。透析袋里的隔膜只允許小分子通過(guò)。
隨后的發(fā)現(xiàn)讓研究人員很驚喜，因?yàn)樵趯⒈砻婊钚詣┻^(guò)濾之后，所有的零部件會(huì)自動(dòng)組裝成一個(gè)整體，捕捉光線(xiàn)的同時(shí)能產(chǎn)生電流。工作人員解釋?zhuān)@一自然組裝之所以能夠?qū)崿F(xiàn)，是由這些部件的化學(xué)性質(zhì)決定的，因?yàn)榻M裝完成后，他們彼此之間恰巧都處于相對(duì)適合的位置。用于支撐結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)包圍脂類(lèi)，形成一個(gè)小圓盤(pán)，而光合反應(yīng)中心則在圓盤(pán)之上。小圓盤(pán)會(huì)順著有小氣孔的碳納米管排列，小氣孔的作用是讓光合反應(yīng)中心產(chǎn)生的電子順利通過(guò)。如果將膽酸鈉重新加入這一裝置，裝置就會(huì)自動(dòng)分解；過(guò)濾膽酸鈉后又有新的裝置形成，如此循環(huán)。
“該過(guò)程的美妙之處在于，它是可逆的。也就是說(shuō)分開(kāi)的零部件可以自行組裝，而組裝以后的裝置也可以拆分成單個(gè)零部件。就像是在玩智力拼圖游戲時(shí)，所有的小部分自動(dòng)拼成一幅完整的圖片一樣。” 斯德拉諾說(shuō)。當(dāng)一套裝置失去活力后，只需加入表面活性劑將其拆分，再重新組裝，就會(huì)重新恢復(fù)活力。在試驗(yàn)中，斯德拉諾的團(tuán)隊(duì)成功地讓一套裝置持續(xù)工作了1個(gè)多星期。
當(dāng)然，目前看來(lái)，該裝置還不能與太陽(yáng)能硅電池競(jìng)爭(zhēng)。但約翰表示，硅電池也是在經(jīng)過(guò)幾十年的研發(fā)后，才有了今天的轉(zhuǎn)換效率。如果在該裝置上投入相同的資金、經(jīng)歷同樣的時(shí)間，一定也能成就同樣高效率，并且還能自我修復(fù)、可在弱光環(huán)境下工作的太陽(yáng)能電池。
