人工分子能模仿自然光合作用

科技日报记者 张梦然

瑞士巴塞尔大学研究团队在人工光合作用领域取得重要进展：他们开发出一种新型人工分子，能够模仿植物自然的光合作用机制，在光照条件下同时储存两个正电荷和两个负电荷。这一成果为未来将太阳能转化为碳中和燃料提供了新的可能性。相关论文发表于最新的《自然·化学》杂志。

在自然界中，植物通过光合作用利用阳光的能量，将二氧化碳和水转化为富含能量的糖类分子。这些有机物不仅为植物自身提供能量，也成为整个食物链的基础。当动物或人类消耗这些碳水化合物，将其“燃烧”以获取能量时，会释放二氧化碳，从而形成一个闭合的碳循环。科学家正试图模仿这一过程，利用阳光合成氢气、甲醇或汽油等高能燃料，这类“太阳能燃料”在使用过程中释放的二氧化碳等于其生产时所吸收的量，因此可实现碳中和，是未来清洁能源的重要方向。

一种具有特殊结构的分子，是此次实现人工光合作用的关键一步。该分子由5个功能单元串联组成，每一部分承担特定任务。分子的一端包含两个可释放电子的单元，在失去电子后带正电；另一端有两个可接收电子的单元，获得电子后带负电；中间则是吸收光能、启动电子转移反应的核心结构。

团队采用两步光照的方法实现四电荷的存储：第一道闪光激发分子，触发电子转移，产生一对正负电荷，并分别迁移到分子两端；随后第二道闪光再次引发相同反应，使分子最终携带两个正电荷和两个负电荷。这种分步激发机制使得该过程可以在较弱的光照条件下进行，接近自然阳光的强度，而此前类似研究往往依赖高强度激光，难以应用于实际环境。

更重要的是，这些分离的电荷在分子中能够保持相对稳定状态，持续足够长时间，以便参与后续的化学反应，例如将水分解为氢气和氧气——这是生产太阳能燃料的关键步骤。

这一分子成功实现了多电荷分离与储存这一核心功能。团队成员表示，他们已经识别并实现了整个拼图中的一个重要部分。

这项研究深化了人们对人工光合作用中电子转移机制的理解，也为未来设计更高效、更接近自然系统的太阳能燃料转化技术奠定了基础。其成果能为可持续能源的发展开辟新路径，推动人类向绿色、碳中和的能源目标迈进。

总编辑圈点

自然界的光合作用很神奇，植物捕获光子后，能在极短时间内将太阳能转化为化学能，叶绿体简直是近乎完美的光能工厂。此次，科研人员开发出一种具有特殊结构的分子，它可以模仿光合作用机制，在接近自然光强度下实现四电荷稳定存储，为后续燃料合成提供了基础条件。这些分子如同人工叶绿体，可将阳光“生产”为高能燃料，如氢气、乙醇，解决太阳能本身稳定性差、转化效率低的问题，为人类带来清洁能源革命，也带来更加绿色的未来。