摘要：能源转换的未来可能就在一个微小的人工分子中。巴塞尔大学研究团队成功开发出一种革命性的仿生分子系统，能够在光照条件下同时储存四个电荷——两个正电荷和两个负电荷，这一突破性成果为实现真正的人工光合作用技术铺平了道路。该研究发表在《自然化学》期刊上，标志着科学家在模

信息来源：https://scitechdaily.com/this-plant-inspired-molecule-could-be-the-key-to-artificial-photosynthesis/

能源转换的未来可能就在一个微小的人工分子中。巴塞尔大学研究团队成功开发出一种革命性的仿生分子系统，能够在光照条件下同时储存四个电荷——两个正电荷和两个负电荷，这一突破性成果为实现真正的人工光合作用技术铺平了道路。该研究发表在《自然化学》期刊上，标志着科学家在模拟植物能量转换机制方面取得了关键性进展，有望催生出真正碳中性的太阳能燃料生产技术。

Oliver Wenger教授和博士生Mathis Brändlin设计的这一分子系统，不仅在技术层面实现了重大突破，更重要的是它能够在相对较弱的光照条件下工作，接近真实太阳光的强度。这一特性使得该技术从实验室概念向实际应用迈出了实质性步伐，为开发氢气、甲醇和合成汽油等清洁燃料提供了全新的技术路径。

从自然启发到技术突破

与自然光合作用一样，新分子会暂时储存两个正电荷和两个负电荷。图片来源：Deyanira Geisnæs Schaad

植物光合作用是地球上最高效的能量转换过程之一，每年通过这一过程固定的碳量达到数千亿吨。在这个复杂的生物化学过程中，植物利用叶绿素等光敏分子捕获太阳能，将二氧化碳和水转化为葡萄糖等有机化合物，同时释放氧气。这一过程的核心机制在于电子的精确转移和电荷的暂时储存。

长期以来，科学家们一直试图复制这一自然过程，创造出人工光合作用系统。然而，模拟植物光合作用面临着巨大的技术挑战。天然光合作用系统经过数十亿年的进化优化，具有极其复杂而精确的分子结构和电子传递链，任何人工系统都很难达到其效率和稳定性。

巴塞尔大学团队的创新在于设计出了一个能够稳定储存多个电荷的分子系统。该分子由五个相互连接的功能组件构成，每个组件都承担着特定的角色。分子的一端设置了两个电子供体组件，负责释放电子并因此带上正电荷；另一端则配置了两个电子受体组件，用于接收并储存电子，从而带上负电荷；位于分子中心的是一个关键的光敏单元，专门负责捕获太阳能并启动整个电子转移过程。

这种设计的巧妙之处在于其分步激发机制。研究人员采用了两次连续的光照来实现四个电荷的储存。第一次光照激发分子，产生一对正负电荷，这些电荷随即向分子的两端移动；第二次光照重复同样的过程，使分子最终包含两个正电荷和两个负电荷。

技术优势与实用价值

相比于以往需要极强激光才能工作的人工光合作用实验系统，这一新分子的最大优势在于其对光照强度的要求大幅降低。Brändlin解释道："这种分步激发使得使用明显更暗的光线成为可能。因此，我们已经接近太阳光的强度了。"这一特性使得该技术具备了实际应用的基础条件，不再依赖于实验室环境下的强激光设备。

此外，该分子系统中的电荷能够保持足够长的稳定时间，为后续的化学反应提供了必要的时间窗口。这种稳定性是实现实用化人工光合作用的关键要素，因为只有电荷能够稳定存在，才能有效驱动水分解、二氧化碳还原等重要的化学转换过程。

从能源应用的角度来看，这一技术突破具有重要的战略意义。通过人工光合作用生产的太阳能燃料，如氢气、甲醇和合成汽油，具有真正的碳中性特征。这些燃料在燃烧时释放的二氧化碳量与其生产过程中消耗的二氧化碳量完全相等，从而实现了碳循环的平衡。这与传统化石燃料形成鲜明对比，后者的燃烧会向大气中增加额外的碳排放。

在当前全球气候变化和能源转型的大背景下，开发碳中性燃料技术具有特别重要的意义。尽管可再生电能在近年来取得了快速发展，但在航空、航海、重工业等难以电气化的领域，高能密度的化学燃料仍然不可替代。人工光合作用技术为这些领域提供了清洁能源解决方案的可能。

产业化前景与挑战

虽然取得了重要突破，但研究人员也坦率地承认，当前的系统距离构建完整的人工光合作用装置还有一定距离。Wenger教授表示："我们已经识别并实现了这个难题的一个重要部分。"这种谨慎乐观的态度反映了科学研究的严谨性，也说明了从基础研究到产业应用之间仍存在诸多技术挑战。

目前面临的主要挑战包括提高系统的整体效率、延长分子的使用寿命、降低制造成本等。天然光合作用的量子效率接近100%，而大多数人工系统的效率仍然相对较低。此外，如何在大规模生产中保持分子系统的稳定性和一致性，也是需要解决的重要技术问题。

从产业化的角度来看，人工光合作用技术还需要与现有的能源基础设施相匹配。这不仅涉及技术标准的制定，还需要考虑经济可行性、环境影响评估、安全性评价等多个方面的因素。

然而，这一技术的发展前景依然十分广阔。随着材料科学、纳米技术和分子工程等相关领域的快速发展，人工光合作用系统的性能有望持续改善。特别是在催化剂设计、分子组装和系统集成等关键技术方面的进步，将为实现高效、稳定、低成本的人工光合作用装置提供支撑。

此外，人工光合作用技术的发展还可能带动相关产业的创新。从精密化学品制造到新能源设备生产，从环境治理到农业应用，这一技术都具有广泛的应用潜力。

研究团队表示，他们的下一步工作将集中在提高系统效率和扩大应用范围上。通过优化分子设计、改进激发机制和集成更多功能模块，他们希望能够构建出真正实用的人工光合作用系统，为人类社会的可持续发展贡献科技力量。

来源：人工智能学家