樹葉啟發(fā)太陽能電池新技術(shù)

　　大自然總會帶給人類無限的啟示。許多造福人類的發(fā)明也是從自然中得到的靈感，如世界上第一批防毒面具誕生的靈感來源于野豬的鼻子；火箭升空利用的是水母、墨魚反沖原理；變色龍幫助我們研制出了不少軍事偽裝裝備；毒蛇的“熱眼”功能研究開發(fā)出了微型熱傳感器等等。這樣例子數(shù)不勝數(shù)。近日，美國的研究人員稱，樹葉經(jīng)過數(shù)千萬年進(jìn)化而獲得的防止陽光灼傷的自我修復(fù)功能或許能幫助他們研發(fā)出具有可再生功能的太陽能電池，讓電池的使用壽命無止境地延續(xù)下去。

　　殘忍的陽光

　　9月5日出版的《自然化學(xué)》雜志著重介紹了美國麻省理工學(xué)院的化學(xué)工程師斯特拉諾等人的這項研究，并稱這一項研究為生產(chǎn)廉價、具備自我修復(fù)功能、使用期限可以無限延長的太陽能電池打下了基礎(chǔ)。此后的幾天時間里，包括英國廣播公司、美國《發(fā)現(xiàn)》雜志網(wǎng)站、美國《大眾科學(xué)》網(wǎng)站、美國《技術(shù)評論》雜志網(wǎng)站等主流媒體都對這一研究進(jìn)行了報道，預(yù)示著這項技術(shù)或?qū)�帶來太陽能電池領(lǐng)域的大變革。

　　眾所周知，陽光是地球上生命的源泉，但它的破壞性卻不能被忽略。人類為何會變老？放在太陽下的紙片、塑料等為何會輕易報廢？美國麻省理工學(xué)院的化學(xué)工程師斯特拉諾解釋說，這一切都是因為陽光中的紫外線在與氧氣混合后，會有很大的破壞力。經(jīng)過長時間的照射，再堅固的物體都會慢慢瓦解。“即使是專門吸收陽光的植物葉片在陽光下曝曬過久后，也會漸漸失去功效，更何況太陽能電池等其他的物體。”斯特拉諾說。因此即使對于吸收陽光的樹葉來說，陽光也是殘忍的。當(dāng)植物全力地進(jìn)行光合作用時，如果不采取防護(hù)措施，樹葉也會被氧氣、紫外線等破壞性分子毀壞。

　　大自然的啟示

　　美國《大眾科學(xué)》網(wǎng)站介紹，樹上的樹葉與太陽能板上的光伏電池一樣，看上去都是在靜止不動的情況下吸收陽光。然而，樹葉其實有一個非常精彩的“內(nèi)心世界”。由于陽光直射的破壞力實在太大，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小時的老光合反應(yīng)中心，避免陽光帶來的傷害。這是經(jīng)過千萬年的進(jìn)化后大自然賦予樹葉的生存技能。這種快速的自我修復(fù)程序也讓植物可以在充分享受陽光的同時不至于“飛蛾撲火”。

　　樹葉的這種自我修復(fù)功能激發(fā)了斯特拉諾，以及來自伊利諾伊州立大學(xué)的斯里格爾、懷特等人的靈感，想到模擬樹葉的這一技能，可以讓一直被陽光烘烤的太陽能電池自行修復(fù)。目前人們對太陽能電池的研究大都局限在如何提高轉(zhuǎn)化效率、如何延長使用壽命上，但卻很少有人想到開發(fā)電池的再生功能，讓其無止境地工作下去。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)稱為“人造的翻版自然技能”，同時認(rèn)為它是“開拓性的、對以后發(fā)展有巨大影響的研究”，因為“以前還從未有過類似的研究”。英國布里斯托大學(xué)的生物化學(xué)家約翰認(rèn)為，這項研究“雖然非常簡單，但卻十分實用。”

　　自我修復(fù)太陽能電池

　　在了解到樹葉內(nèi)光合作用中心的循環(huán)特點后，斯德拉諾及其研究團(tuán)隊就決定，與其制造使用壽命超長的太陽能電池，還不如向自然學(xué)習(xí)，走太陽能電池自我修復(fù)之路。試驗開始階段，研究人員使用的是一種紫細(xì)菌中采集陽光的光合反應(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，用于形成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；以及碳納米管，用做導(dǎo)線傳導(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裝滿水（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。

　　隨后的發(fā)現(xiàn)讓研究人員很驚喜，因為在將表面活性劑過濾之后，所有的零部件會自動組裝成一個整體，捕捉光線的同時能產(chǎn)生電流。工作人員解釋，這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，因為組裝完成后，他們彼此之間恰巧都處于相對適合的位置。用于支撐結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)包圍脂類，形成一個小圓盤，而光合反應(yīng)中心則在圓盤之上。小圓盤會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。如果將膽酸鈉重新加入這一裝置，裝置就會自動分解；過濾膽酸鈉后又有新的裝置形成，如此循環(huán)。

　　“該過程的美妙之處在于，它是可逆的。也就是說分開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零部件。就像是在玩智力拼圖游戲時，所有的小部分自動拼成一幅完整的圖片一樣。” 斯德拉諾說。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，就會重新恢復(fù)活力。在試驗中，斯德拉諾的團(tuán)隊成功地讓一套裝置持續(xù)工作了1個多星期。

　　當(dāng)然，目前看來，該裝置還不能與太陽能硅電池競爭。但約翰表示，硅電池也是在經(jīng)過幾十年的研發(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)境下工作的太陽能電池。