這恐怕是世界上最為奇怪的樹葉了：它沒有粗細(xì)不等的葉脈，取而代之的是各種電子元件；它也沒有心形、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，它連普通樹葉常見的顏色都沒有，看上去就像一塊亮晶晶的遮光板。
但它卻能像樹葉那樣進(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(tuán)隊(duì)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，在陽光下迅速地產(chǎn)生了相當(dāng)于一個發(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)會上發(fā)布的這項(xiàng)成果。作為世界上最大的科技協(xié)會之一，美國化學(xué)學(xué)會不止一次發(fā)布過關(guān)于人造葉子的成果。這片來自馬薩諸塞州的葉子的最大特點(diǎn)是實(shí)用性，由于所用材料價格低廉，未來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能電池
事實(shí)上，人造葉子是一個技術(shù)概念，并不專指某一片葉子。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)過太陽光的照射，水被分解為氧氣和氫氣，這些氣體儲存起來可用于發(fā)電。所謂的“葉子”，只是一塊高級的太陽能電池。
“要做到像葉子一樣進(jìn)行光合作用，并不意味著我們完全按照樹葉來設(shè)計(jì)人工葉�！� 倫敦帝國學(xué)院生物學(xué)家、“人造葉子”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人詹姆斯·巴伯（James
Barber）解釋說。他表示，“達(dá)·芬奇曾試圖設(shè)計(jì)羽翼可以上下擺動的飛行器。但最終人類建造出波音747及空中客車380與鳥完全不同，它們甚至飛得比鳥更好”。
諾塞拉研制的人造葉子就不以任何自然界中的樹葉為原型。這位化學(xué)家、能源學(xué)家一直致力于這項(xiàng)在美國被稱為“人工模擬光合作用”的研究。2007年諾塞拉因聲稱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能源公司的創(chuàng)始人。美國能源部下屬的能源研究計(jì)劃局2009年10月曾撥款2370萬美元鼓勵新公司和大學(xué)研究太陽光合能。他所創(chuàng)建的這家公司就是5家接受政府資助開發(fā)的公司之一。此次的研究經(jīng)費(fèi)也是部分來源于這家公司。
不過，這片葉子并不是史無前例。早在1998年，美國科羅拉多州國家可再生能源實(shí)驗(yàn)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(xiàn)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時說，自己也并不是第一個提出這一概念的人。1972年，日本學(xué)者藤島昭和他的導(dǎo)師共同在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇論文，這篇論文后來被奉為光催化概念的經(jīng)典之作。由于這一化學(xué)過程模擬了光合作用，在自然界中承載這一作用的樹葉就此進(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分解水，釋放的氫和氧產(chǎn)生電流。但砷化鎵素有“半導(dǎo)體貴族”之稱，諾塞拉曾開玩笑說，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(xiàng)研究。2010年，上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們將“人造葉子”的技術(shù)發(fā)布在當(dāng)年的美國科學(xué)學(xué)會上。這個團(tuán)隊(duì)用中國特有的植物——打碗碗花做實(shí)驗(yàn)，先找到自然葉子收獲陽光的結(jié)構(gòu)，再研制一種在功能上替代這種結(jié)構(gòu)的化學(xué)物，為這片葉子貼上了“中國制造”的標(biāo)簽。
遺憾的是，這些成果都沒有進(jìn)入實(shí)用領(lǐng)域，不是因?yàn)樵靸r太昂貴，就是因?yàn)椴环�(wěn)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題。
這個長滿絡(luò)腮胡子的男人表示：“我將一片葉子放入一瓶水中，拿著它走到陽光下，你就能看到氧氣和氫氣在冒泡�！逼恐械乃⒉恍枰羌儍舻模Z塞拉用校園附近的查爾斯河水實(shí)驗(yàn)，效果并沒有衰減。
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，人們都在尋求利用“不需要付費(fèi)”的太陽能源，然而捕獲并使用太陽能卻需要耗費(fèi)很大的財(cái)力，這讓很多在太陽能上動腦筋的人望而卻步。
“傳統(tǒng)的太陽能電池板造價并不昂貴�！敝Z塞拉解釋說，“它的大部分的開銷都在于布線，而人造葉子很好地解決了這一問題�！�
同傳統(tǒng)太陽能電池板一樣，人工葉子的基礎(chǔ)材料依然是硅，只不過運(yùn)用的是三結(jié)非晶硅。雖然在轉(zhuǎn)換效率上不如傳統(tǒng)的晶體硅，但這種非晶硅價格低廉、耗能少，更利于推廣。同時，疊層的設(shè)計(jì)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上的幾匹馬，不但保證了分解水時所需要的能量，還使其更加具有穩(wěn)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時解釋說，催化劑使硅板不再像普通太陽能電池那樣依靠電線工作，反應(yīng)速度和強(qiáng)度大大提高。在過去，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(fù)和代謝的錳基，鈷有強(qiáng)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(bǔ)了20多年前第一片“人造葉子”的先天不足。據(jù)說，諾塞拉的這片葉子的光合效率大約是自然樹葉的10倍。
目前，諾塞拉的實(shí)驗(yàn)室并沒有發(fā)布催化劑的具體成分，這將留待以后申請專利。在美國化學(xué)學(xué)會提供的新聞通稿中，只提到鎳、鈷等元素作為催化劑，不但解決了穩(wěn)定性的問題，還因?yàn)榱畠r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)家們能夠開發(fā)出一種可承受的、有效的、利用太陽能來分解水和產(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，這個夢想似乎近在咫尺。“還將面臨許多嚴(yán)峻的工程�！敝Z塞拉說。目前，人造葉子遇到的最大挑戰(zhàn)是如何捕捉氧氣和氫氣并存儲它們，以備在沒有陽光時使用。
一片葉子，成為一戶家庭的發(fā)電站
“歸根結(jié)底，我們所能得到的唯一可持續(xù)的能源形式就是太陽�！庇茉囱芯恐行膱�(zhí)行董事約翰·勞赫德非�？春萌斯と~這一設(shè)想的前景，因?yàn)椤爸参镌缇瓦M(jìn)化出這一功能，而且我們知道，從根本上說，在大規(guī)模推廣利用方面來說，這是可行的”。
氫是宇宙中分布最廣泛的物質(zhì)，構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的75%。氫能作為人類的終極能源已成為世界各國科學(xué)研究的重點(diǎn)之一。太陽能制氫技術(shù)從水這個氫的大倉庫中分解出氫，使其作為能源應(yīng)用于人類的生產(chǎn)過程。
早在小布什當(dāng)政時期，美國就提出要推廣氫燃料計(jì)劃。奧巴馬政府在競選時也將發(fā)展新能源提上了競選綱領(lǐng)。
中國也開始重視新能源的開發(fā)和利用。2008年，科技部部長萬鋼在第十七屆世界氫能大會獲得2008年度格羅夫（Grave）獎，用以表彰其推動燃料電池汽車方面的貢獻(xiàn)。積極推動人工光合作用技術(shù)的美國能源部部長朱棣文更是在去年斯坦福大學(xué)演講時表示，中國目前在清潔能源上的投入相當(dāng)驚人，每個月投入額為90億元，大有后來居上的勢頭。
參與上海交通大學(xué)的“人工無機(jī)葉”項(xiàng)目的范同祥、張荻也對氫能表示樂觀：“將取之不盡的太陽能轉(zhuǎn)換成氫能是未來的方向。”碳能源時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)境不會造成影響。
在“十二五”規(guī)劃強(qiáng)調(diào)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(jié)能環(huán)保、新材料”都是重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，前景十分樂觀，但如何產(chǎn)業(yè)化還是個未知數(shù)。
特納博士接受采訪時說：“目前人造葉子只是實(shí)驗(yàn)室的一個儀器，還沒有準(zhǔn)備好投入商業(yè)生產(chǎn)�！北M管如此，他依然對這項(xiàng)技術(shù)的前景充滿樂觀�！拔覀儗⒊沙掷m(xù)發(fā)展的無碳、低耗的氫能產(chǎn)業(yè)和氫能經(jīng)濟(jì)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(qū)。“人造樹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(xiàn)電力的自給自足�！�
諾塞拉所在的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)與印度的塔塔集團(tuán)達(dá)成了合作協(xié)議�！暗�2011年年底，我們將可能在印度擁有基地。”諾塞拉并不打算透露合作細(xì)節(jié)，但有媒體報道，塔塔集團(tuán)投資1500萬美元來支持這項(xiàng)研究。
“我們的目標(biāo)是讓每一個家庭擁有自己的發(fā)電站�！敝Z塞拉說，“可以設(shè)想，在不久的將來，那些印度和非洲的村莊將有能力購買基于這種技術(shù)的基礎(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)�！�