與植物光合作用效率相比,人造太陽能設(shè)備僅能轉(zhuǎn)換少少的太陽光,且轉(zhuǎn)換效率慢、機(jī)器又笨重,因此科學(xué)家想要找出植物光合作用高效之謎,或許可進(jìn)一步提升太陽能
電池性能。
葉綠素等色素(pigments)是植物光合作用效率高的功臣,當(dāng)光照射到葉綠體時(shí),其中電子會(huì)被一系列色素單向傳遞與激發(fā),最后將二氧化碳、水或是硫化氫轉(zhuǎn)化成碳水化合物。而有別于植物的單向路徑,人工太陽能電池由于很容易將電子反彈,進(jìn)而失去能量并降低效率。
該研究 2017 年發(fā)布于《美國國家科學(xué)院院刊(Proceedings of the National Academy of Sciences)》,認(rèn)為色素的單向路徑是植物光合作用高效祕(mì)方。雖然類似研究已在 1992 年提出,但在此之前都沒有被證實(shí)。
為了更了解光合作用過程與其復(fù)雜反應(yīng),美國喬治亞州立大學(xué)物理與天文系生質(zhì)學(xué)家 Gary Hastings 團(tuán)隊(duì)利用紅外光譜分析紅外光與物質(zhì)如何相互作用,并獲得美國能源局基礎(chǔ)能源部門 40 萬美元資助,希望可以提升人工太陽能電池效率與打造更簡單的太陽光捕獲系統(tǒng)。
團(tuán)隊(duì)研究對(duì)象并非一般綠葉植物,而是藍(lán)綠藻的分支集胞藻(Synechocystis),研究發(fā)現(xiàn)只要將集胞藻中的葉綠醌色素嵌入蛋白質(zhì)中,其相互作用便會(huì)產(chǎn)生特殊性質(zhì),而研究希望能用其他色素代替葉綠醌,借由不同結(jié)構(gòu)色素改變光合作用系統(tǒng)。
團(tuán)隊(duì)透過激光讓集胞藻行光合作用,并用紅外光追蹤電子轉(zhuǎn)移引起的色素分子鍵和周圍蛋白質(zhì)變化,這些資料讓團(tuán)隊(duì)得以改良色素─蛋白質(zhì)系統(tǒng),并控制電子的移動(dòng)速度。Hastings 表示,純化植物材料過程相當(dāng)復(fù)雜,比起植物細(xì)胞,對(duì)藍(lán)綠藻進(jìn)行基因修飾(genetically engineer)更為簡單。
Hastings 指出,團(tuán)隊(duì)的研究可指引太陽能電池新方向,像是全新的太陽能制氫方式;且電子轉(zhuǎn)移、色素和蛋白質(zhì)關(guān)系等知識(shí)也可以應(yīng)用到其他領(lǐng)域,因?yàn)檫@些都是生物化學(xué)的核心。
而除了用于提升太陽能設(shè)備效率,團(tuán)隊(duì)也致力于研究如何將該藻類用于其他用途,例如制成生物燃料,藻類細(xì)胞生長時(shí)會(huì)產(chǎn)生脂類(lipids),可從細(xì)胞中萃取脂類并轉(zhuǎn)化為柴油燃料。
Hastings 表示,未來該研究也或許能用于檢測(cè)藻華,避免越來越多水池優(yōu)養(yǎng)化與污染。藻類大量堆積可能會(huì)導(dǎo)致飲用水污染、藻類毒素透過食物鏈影響人體健康,而團(tuán)隊(duì)目標(biāo)是使用光譜檢測(cè)藻華并預(yù)測(cè)其是否會(huì)再次大量生長。
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