這恐怕是世界上最為奇怪的樹(shù)葉了：它沒(méi)有粗細不等的葉脈，取而代之的是各種電子元件；它也沒(méi)有心形、扇形或是菱形這樣的形狀，而是像一張撲克牌那樣單��；甚至于，它連普通樹(shù)葉常見(jiàn)的顏色都沒(méi)有，看上去就像一塊亮晶晶的遮光板。
但它卻能像樹(shù)葉那樣進(jìn)行光合作用。3月27日，美國麻省理工學(xué)院（MIT）的丹尼爾·諾塞拉（Daniel
Nocera）博士公布了自己團隊研發(fā)的人造葉子。在眾人的矚目下，一片人造葉子被放入3.7升水中，在陽(yáng)光下迅速地產(chǎn)生了相當于一個(gè)發(fā)展中國家的家庭一天的能源需求。
諾塞拉是在第241屆美國化學(xué)學(xué)會(huì )上發(fā)布的這項成果。作為世界上最大的科技協(xié)會(huì )之一，美國化學(xué)學(xué)會(huì )不止一次發(fā)布過(guò)關(guān)于人造葉子的成果。這片來(lái)自馬薩諸塞州的葉子的最大特點(diǎn)是實(shí)用性，由于所用材料價(jià)格低廉，未來(lái)它有可能成為超市貨架上的商品。
所謂“葉子”，只是一塊高級的太陽(yáng)能電池
事實(shí)上，人造葉子是一個(gè)技術(shù)概念，并不專(zhuān)指某一片葉子。這種技術(shù)主要是模擬真實(shí)植物的光合作用原理：用人工材料制成小巧輕薄的片狀，浸泡在水中，經(jīng)過(guò)太陽(yáng)光的照射，水被分解為氧氣和氫氣，這些氣體儲存起來(lái)可用于發(fā)電。所謂的“葉子”，只是一塊高級的太陽(yáng)能電池。
“要做到像葉子一樣進(jìn)行光合作用，并不意味著(zhù)我們完全按照樹(shù)葉來(lái)設計人工葉�！� 倫敦帝國學(xué)院生物學(xué)家、“人造葉子”項目負責人詹姆斯·巴伯（James
Barber）解釋說(shuō)。他表示，“達·芬奇曾試圖設計羽翼可以上下擺動(dòng)的飛行器。但最終人類(lèi)建造出波音747及空中客車(chē)380與鳥(niǎo)完全不同，它們甚至飛得比鳥(niǎo)更好”。
諾塞拉研制的人造葉子就不以任何自然界中的樹(shù)葉為原型。這位化學(xué)家、能源學(xué)家一直致力于這項在美國被稱(chēng)為“人工模擬光合作用”的研究。2007年諾塞拉因聲稱(chēng)更好地理解了光合作用而受到廣泛關(guān)注。
除了麻省理工學(xué)院的教師身份，諾塞拉還是一家太陽(yáng)能源公司的創(chuàng )始人。美國能源部下屬的能源研究計劃局2009年10月曾撥款2370萬(wàn)美元鼓勵新公司和大學(xué)研究太陽(yáng)光合能。他所創(chuàng )建的這家公司就是5家接受政府資助開(kāi)發(fā)的公司之一。此次的研究經(jīng)費也是部分來(lái)源于這家公司。
不過(guò)，這片葉子并不是史無(wú)前例。早在1998年，美國科羅拉多州國家可再生能源實(shí)驗室的約翰·特納（John
Turner）博士就研制出了世界上第一片人造葉子。
這位現在依然將精力傾注于這一技術(shù)的科學(xué)家在接受中國青年報采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)，自己也并不是第一個(gè)提出這一概念的人。1972年，日本學(xué)者藤島昭和他的導師共同在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇論文，這篇論文后來(lái)被奉為光催化概念的經(jīng)典之作。由于這一化學(xué)過(guò)程模擬了光合作用，在自然界中承載這一作用的樹(shù)葉就此進(jìn)入科學(xué)家的視野。
20多年后，特納用砷化鎵制成的葉子來(lái)分解水，釋放的氫和氧產(chǎn)生電流。但砷化鎵素有“半導體貴族”之稱(chēng)，諾塞拉曾開(kāi)玩笑說(shuō)，這種材料只有美國航天局才用得起。
中國科學(xué)家也在進(jìn)行這項研究。2010年，上海交通大學(xué)金屬基復合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗室的科學(xué)家們將“人造葉子”的技術(shù)發(fā)布在當年的美國科學(xué)學(xué)會(huì )上。這個(gè)團隊用中國特有的植物——打碗碗花做實(shí)驗，先找到自然葉子收獲陽(yáng)光的結構，再研制一種在功能上替代這種結構的化學(xué)物，為這片葉子貼上了“中國制造”的標簽。
遺憾的是，這些成果都沒(méi)有進(jìn)入實(shí)用領(lǐng)域，不是因為造價(jià)太昂貴，就是因為不穩定易銹蝕。諾塞拉最新發(fā)布的這片葉子部分地解決了這一問(wèn)題。
這個(gè)長(cháng)滿(mǎn)絡(luò )腮胡子的男人表示：“我將一片葉子放入一瓶水中，拿著(zhù)它走到陽(yáng)光下，你就能看到氧氣和氫氣在冒泡�！逼恐械乃⒉恍枰羌儍舻�，諾塞拉用校園附近的查爾斯河水實(shí)驗，效果并沒(méi)有衰減。
只需要每秒把MIT的游泳池水的1/3分解，就能為世界提供能源了
一直以來(lái)，人們都在尋求利用“不需要付費”的太陽(yáng)能源，然而捕獲并使用太陽(yáng)能卻需要耗費很大的財力，這讓很多在太陽(yáng)能上動(dòng)腦筋的人望而卻步。
“傳統的太陽(yáng)能電池板造價(jià)并不昂貴�！敝Z塞拉解釋說(shuō)，“它的大部分的開(kāi)銷(xiāo)都在于布線(xiàn)，而人造葉子很好地解決了這一問(wèn)題�！�
同傳統太陽(yáng)能電池板一樣，人工葉子的基礎材料依然是硅，只不過(guò)運用的是三結非晶硅。雖然在轉換效率上不如傳統的晶體硅，但這種非晶硅價(jià)格低廉、耗能少，更利于推廣。同時(shí)，疊層的設計將非晶硅分子用磷酸鹽加以固定，使它們就像是捆在一架車(chē)上的幾匹馬，不但保證了分解水時(shí)所需要的能量，還使其更加具有穩定性。
更令學(xué)界關(guān)注的是“穿”在硅外面的催化劑。清華大學(xué)材料與科學(xué)工程系的林紅在接受中國青年報采訪(fǎng)時(shí)解釋說(shuō)，催化劑使硅板不再像普通太陽(yáng)能電池那樣依靠電線(xiàn)工作，反應速度和強度大大提高。在過(guò)去，催化劑大多采用的是錳基。
諾塞拉所采用的一種催化劑是鈷。相比于需要不斷修復和代謝的錳基，鈷有強大的“自組裝”能力，它能讓自己分分合合，不需要再加入額外的材料。這彌補了20多年前第一片“人造葉子”的先天不足。據說(shuō)，諾塞拉的這片葉子的光合效率大約是自然樹(shù)葉的10倍。
目前，諾塞拉的實(shí)驗室并沒(méi)有發(fā)布催化劑的具體成分，這將留待以后申請專(zhuān)利。在美國化學(xué)學(xué)會(huì )提供的新聞通稿中，只提到鎳、鈷等元素作為催化劑，不但解決了穩定性的問(wèn)題，還因為廉價(jià)而有了投入商業(yè)用途的可能。
這位科學(xué)家曾經(jīng)暢想，如果化學(xué)家們能夠開(kāi)發(fā)出一種可承受的、有效的、利用太陽(yáng)能來(lái)分解水和產(chǎn)生氫燃料的手段，那么只需要每秒把MIT的游泳池水的1/3分解，就能為世界提供能源了！
如今，這個(gè)夢(mèng)想似乎近在咫尺�！斑�將面臨許多嚴峻的工程�！敝Z塞拉說(shuō)。目前，人造葉子遇到的最大挑戰是如何捕捉氧氣和氫氣并存儲它們，以備在沒(méi)有陽(yáng)光時(shí)使用。
一片葉子，成為一戶(hù)家庭的發(fā)電站
“歸根結底，我們所能得到的唯一可持續的能源形式就是太陽(yáng)�！庇茉囱芯恐行膱绦卸录s翰·勞赫德非�？春萌斯と~這一設想的前景，因為“植物早就進(jìn)化出這一功能，而且我們知道，從根本上說(shuō)，在大規模推廣利用方面來(lái)說(shuō)，這是可行的”。
氫是宇宙中分布最廣泛的物質(zhì)，構成了宇宙質(zhì)量的75%。氫能作為人類(lèi)的終極能源已成為世界各國科學(xué)研究的重點(diǎn)之一。太陽(yáng)能制氫技術(shù)從水這個(gè)氫的大倉庫中分解出氫，使其作為能源應用于人類(lèi)的生產(chǎn)過(guò)程。
早在小布什當政時(shí)期，美國就提出要推廣氫燃料計劃。奧巴馬政府在競選時(shí)也將發(fā)展新能源提上了競選綱領(lǐng)。
中國也開(kāi)始重視新能源的開(kāi)發(fā)和利用。2008年，科技部部長(cháng)萬(wàn)鋼在第十七屆世界氫能大會(huì )獲得2008年度格羅夫（Grave）獎，用以表彰其推動(dòng)燃料電池汽車(chē)方面的貢獻。積極推動(dòng)人工光合作用技術(shù)的美國能源部部長(cháng)朱棣文更是在去年斯坦福大學(xué)演講時(shí)表示，中國目前在清潔能源上的投入相當驚人，每個(gè)月投入額為90億元，大有后來(lái)居上的勢頭。
參與上海交通大學(xué)的“人工無(wú)機葉”項目的范同祥、張荻也對氫能表示樂(lè )觀(guān)：“將取之不盡的太陽(yáng)能轉換成氫能是未來(lái)的方向�！碧寄茉磿r(shí)代消耗了大量的不可再生能源而且釋放的是二氧化碳溫室氣體，氫能的燃燒則只釋放水蒸氣，對環(huán)境不會(huì )造成影響。
在“十二五”規劃強調大力發(fā)展的七大新興產(chǎn)業(yè)中，“人造葉子”代表的“新能源、節能環(huán)保、新材料”都是重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，前景十分樂(lè )觀(guān)，但如何產(chǎn)業(yè)化還是個(gè)未知數。
特納博士接受采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)：“目前人造葉子只是實(shí)驗室的一個(gè)儀器，還沒(méi)有準備好投入商業(yè)生產(chǎn)�！北M管如此，他依然對這項技術(shù)的前景充滿(mǎn)樂(lè )觀(guān)�！拔覀儗⒊�(zhù)可持續發(fā)展的無(wú)碳、低耗的氫能產(chǎn)業(yè)和氫能經(jīng)濟邁進(jìn)�！�
締造了第一片實(shí)用型人造葉子的諾塞拉更加關(guān)注它的產(chǎn)業(yè)化，并將目光投向了廣大的發(fā)展中國家和地區�！叭嗽鞓�(shù)葉顯示了它的巨大潛力，它能幫助發(fā)展中國家的貧困家庭用上便宜、清潔的電能。實(shí)現電力的自給自足�！�
諾塞拉所在的實(shí)驗室已經(jīng)與印度的塔塔集團達成了合作協(xié)議�！暗�2011年年底，我們將可能在印度擁有基地�！敝Z塞拉并不打算透露合作細節，但有媒體報道，塔塔集團投資1500萬(wàn)美元來(lái)支持這項研究。
“我們的目標是讓每一個(gè)家庭擁有自己的發(fā)電站�！敝Z塞拉說(shuō)，“可以設想，在不久的將來(lái)，那些印度和非洲的村莊將有能力購買(mǎi)基于這種技術(shù)的基礎發(fā)電系統�！�