诺塞拉、西尔弗等人先前研究的系统,已经能利用太阳能生成异丙醇,不过面临着诸多挑战。最主要的是,旧系统采用镍钼锌合金作为产生氢的催化剂,但这也同时生成了活性氧,后者破坏了细菌的DNA。为避免这个问题,系统不得不在超高电压的环境下运行,导致效率降低。
“这次,我们设计了新的钴磷合金催化剂,试验显示它不生成活性氧。于是我们能降低电压,效率急剧提升。”诺塞拉说,“新系统将太阳能转换为生物质的有效率可以达到10%,远高于在自然界生长最快植物中看到的1%。以前的人工光合作用只做到分解水分子,而这个2.0是真正从头至尾完成的,是真正的人工光合作用系统。”
除了提高效率,诺塞拉和同事还让系统不但生产异丙醇,还生产异丁醇和异戊醇。研究人员甚至用新系统生产了多羟基丁酸酯PHB,这是生物塑料的前体。新催化剂的另一个优势是完全生物相容,其化学设计让它能“自我修复”,因此不会让多余的物质掺进目标溶液。
作为哈佛大学Wyss研究所核心创始成员的西尔弗说,“生物学之美在于它是世界上最伟大的化学家,能完成我们做不了的化学反应。从本质上讲,我们现在有了个平台,能制造下游任何以碳为基础的分子。它可能是令人难以置信的多功能多用途。”
仿生叶片2.0的效率还有提升的空间,但诺塞拉说,已经可以考虑以不同模式将技术转移到可能的商业应用中去。诺塞拉得到哈佛《首个100瓦计划》的合作和资助,他希望在印度等国继续开发该技术及其应用,以得到当地科学家的帮助。
诺塞拉教授提出过“人造叶片”的概念,即用太阳能分解水生成氢燃料。他说,仿生叶片2.0在许多方面实现了相关承诺。他说,“光合作用它需要阳光、水和空气,再就是一棵树。而这正是我们所做、而且做得更好的,我们把所有这些能量都转化为燃料了。”(图,Harvard) 比尔