樹葉啟發(fā)太陽能電池新技術

　　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)千萬年進化而獲得的防止陽光灼傷的自我修復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》雜志著重介紹了美國麻省理工學院的化學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、具備自我修復功能、使用期限可以無限延長的太陽能電池打下了基礎。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》網(wǎng)站、美國《技術評論》雜志網(wǎng)站等主流媒體都對這一研究進行了報道，預示著這項技術或將帶來太陽能電池領域的大變革。

　　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？美國麻省理工學院的化學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�！凹词故菍ｉT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�！彼固乩�諾說。因此即使對于吸收陽光的樹葉來說，陽光也是殘忍的。當植物全力地進行光合作用時，如果不采取防護措施，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》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“內心世界”。由于陽光直射的破壞力實在太大，葉片內部的蛋白質每隔大約45分鐘就必須循環(huán)一次，形成新的光合反應中心，替代已被日光烘烤近1小時的老光合反應中心，避免陽光帶來的傷害。這是經(jīng)過千萬年的進化后大自然賦予樹葉的生存技能。這種快速的自我修復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功能激發(fā)了斯特拉諾，以及來自伊利諾伊州立大學的斯里格爾、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。目前人們對太陽能電池的研究大都局限在如何提高轉化效率、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大學納米復合材料教授格倫蘭將該技術稱為“人造的翻版自然技能”，同時認為它是“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”。英國布里斯托大學的生物化學家約翰認為，這項研究“雖然非常簡單，但卻十分實用�！�

　　自我修復太陽能電池

　　在了解到樹葉內光合作用中心的循環(huán)特點后，斯德拉諾及其研究團隊就決定，與其制造使用壽命超長的太陽能電池，還不如向自然學習，走太陽能電池自我修復之路。試驗開始階段，研究人員使用的是一種紫細菌中采集陽光的光合反應中心。隨后，他們將反應中心里加入了一些感光蛋白質、脂類，用于形成系統(tǒng)結構；以及碳納米管，用做導線傳導產(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實現(xiàn)，是由這些部件的化學性質決定的，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。用于支撐結構的蛋白質包圍脂類，形成一個小圓盤，而光合反應中心則在圓盤之上。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，就會重新恢復活力。在試驗中，斯德拉諾的團隊成功地讓一套裝置持續(xù)工作了1個多星期。

　　當然，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、可在弱光環(huán)境下工作的太陽能電池。