久久精品免费观看_欧美日韩精品电影_91看片一区_日日夜夜天天综合

（來源：Science Advances）

基于本次成果構建的人工葉片系統具備操作簡單 、材料穩定、便于回收、易于規模放大等優勢。

更重要的是，基于這一系統的回收材料的性能，與新制備材料的性能并無差異，這對于降低生產成本非常有利。

未來在后端生物合成上，假如能用工程化細菌來規模化生產稀缺藥物分子，那么在前端生產乙酸或甲醇的人工葉片系統將具備一定的產業化價值。

圖 | 柳佃義（來源：柳佃義）

造一片有生命的“人工葉片”

植物可以通過光合作用，在光照條件下將水和二氧化碳轉化為糖、藥物等復雜有機物。

10 年前，美國華裔科學家楊培東團隊從天然光合作用獲得啟發，開發出第一個基于半導體和非光合細菌的人工光合作用體系，用于在自然溫和條件下將二氧化碳轉化為高附加值化學品。

此類體系既可以降低地球的二氧化碳濃度，又可以產生高附加值的產品，是一個既具有科學研究價值，又具有實際經濟價值的生物合成平臺。

后來，柳佃義等人曾使用人工制備的量子點材料來代替植物葉片中的葉綠素，并使用非光合細菌來代替葉綠體。

量子點會吸收太陽光的能量，并將能量傳遞給細菌，從而驅動細菌將二氧化碳轉化為乙酸鹽。

類似的人工光合作用體系后來被陸續開發出來，體系的光利用效率也得到了逐步提升。

通常，這類人工光合作用體系均采用納米顆粒或有機小分子形態的半導體材料。

這些材料通過粘附在細菌表面或進入細菌細胞內部，將吸收到的光能傳遞給細菌，從而提高細菌將二氧化碳轉化為乙酸鹽的效率。

然而，這種基于納米顆粒或基于有機小分子的半導體材料存在難以回收的缺點，當細菌活性下降或死亡后，材料也會隨之損失，從而導致體系的可持續應用受到較大限制。

在本次項目伊始，他們原本希望開發兼具可回收能力和更高光利用效率的人工光合作用體系。

隨著課題的進行，他們又產生了更多有意思的想法。例如，如何讓半導體材料能像浮萍一樣漂浮在水上？如何造出可以漂浮在水面的“人工生物葉片”？如何造出像樹葉一樣不依賴水面、可以獨立支撐的“人工生物葉片”？以及能否造出和天然樹葉具有相同形態、相同功能的“人工生物葉片”？

事實上，人們早在十幾年前甚至更早之前就已經提出“人工葉片”的概念。

然而，此前文獻報道的“人工葉片”僅限于在功能上實現與天然葉片類似的功能，比如將水分解為氫氣和氧氣、將二氧化碳轉化為甲醇或乙酸等有機物、將氮氣轉化為氨氣等。

而且絕大部分“人工葉片”僅限于材料或器件的形態和天然葉片具有相似性，其本身并不包含任何生命成分。

極少數“人工葉片”基于材料和細菌、酶等雜化體系，包含了生命體或生物活性成分，比如楊培東團隊報道的人工光合作用體系，確實可以被稱為“人工生物葉片”。

盡管以上“人工生物葉片”可以模擬天然樹葉的功能，但從形態上仍然是一瓶溶液，距離人們印象中的“葉片”相差甚遠。

而柳佃義團隊希望創造一片真正的“人工葉片”，這種葉片既具有生命、能夠自我繁殖，又具有和天然葉片同樣形態和功能。

同時，可以通過引入不同種類的半導體材料和細菌，讓葉片生產不同類型的產品，如氫氣、氨氣、乙酸鹽、生物降解塑料等，從而實現對于葉片功能的人為控制。

堅持做“有靈魂”的研究

那么，應該選擇什么材料來制備“人工生物葉片”？

有機共軛聚合物半導體具有易加工性、良好的生物相容性、較強的光吸收能力、較高的激子分離效率，已被廣泛用于開發薄膜太陽能電池。

基于此，課題組使用有機半導體薄膜作為吸光材料，將其與非光合細菌共同孵育，獲得了一種菌膜，該菌膜生長在有機半導體薄膜上，并且具有正常的繁殖能力，故可被用于構建人工光合葉片體系。然后，通過使用輕質、柔性的襯底，他們造出了“人工葉片”。

人工光合作用系統并不是該實驗室的唯一研究方向，有機太陽能電池也是他們的探索方向之一。

這兩個方向看似毫不相關，實際上它們的基礎科學知識是一樣的，同樣都是利用光電半導體材料吸收光能，然后將光能進一步轉化為不同形式的能量。

太陽能電池是將光能轉化為電能，人工光合作用是將光能轉化為化學能，同時產生新物質。

那些用于有機太陽能電池的半導體材料，比如 P3HT、PCBM、PM6、Y6 等，其光電轉換效率已遠遠超越天然光合作用和已報道的所有人工光合作用體系。

遺憾的是，此前從未有人嘗試將這樣高效的有機半導體材料用于人工光合作用體系之中，也從未有人將人工光合作用體系的半導體材料做成易于回收的薄膜形態。

而該實驗室的博士生溫娜同學，在進組初期曾接受過太陽能電池方面的科研訓練，對于有機半導體材料的性質有著深刻理解，也非常熟悉薄膜的制備工藝。

于是，她針對有機半導體薄膜-細菌人工光合作用體系開展了嘗試。研究結果顯示，有機半導體薄膜具有良好的生物相容性，細菌可以很好地生長在薄膜表面，并能形成一層致密的菌膜。

這一發現不僅讓他們確認了本次課題的可行性，也為后續構建自支撐的準固態人工生物葉片奠定了良好基礎。

而從名字上就能看出來，有機半導體薄膜-細菌雜化人工光合作用體系包含兩個部分：一部分是有機半導體薄膜，另一部分是非光合細菌。

要構建由這兩部分構成的雜化體系，需要分別優化這兩部分的條件。將這兩部分合并到一起后，再作為一個整體進行條件優化。

完成雜化體系的構建之后，溫娜覺得雖然本次工作具有較好的工作意義，但似乎還缺少“靈魂”，沒有想象中前沿交叉學科研究應有的閃光點。

后來，柳佃義也會在學術會議上積極地對外宣傳這一成果。當時，他也和同行們一樣稱這一系統為“人工葉片”或“人工樹葉”。

但在內心深處他個人很難接受這一抽象的“葉片”概念，畢竟看上去所謂的“葉片”只是一瓶渾濁的溶液，距離日常看到的樹葉形象相差甚遠。

而在之前，他們曾拍攝到在有機半導體薄膜上生長的細菌菌膜電鏡照片，其認為基于半導體薄膜的人工光合作用體系，在瓊脂類的固態或準固態培養基內應該也能工作。

那么，以此為基礎能否構建出在形態上真正像葉子一樣，可以自支撐的固態或準固態“人工葉片”體系？

如能制造一片“人工樹葉”，那造一片可以漂浮在水面上類似浮萍的水生“人工葉片”應該也是能實現的。

相比構建體系時的繁雜工作，制備模擬水生植物的漂浮“葉片”和模擬陸生植物的“人工樹葉”時，溫娜并沒有花費太多精力和時間，進展也都比較順利。

但如同他們預期的那樣，這個工作逐漸有了“靈魂”，成了一個像模像樣的交叉學科研究成果，甚至可以拿來給同學們做科普。

在隨后的其他學術報告里，柳佃義終于可以很自然地給大家匯報：他們做了一片有生命的、從形態上和功能上和天然的葉子很相像的真正的“人工生物葉片”。

（來源：Science Advances）

與同期入學的同學相比，別人在成熟的領域早早發表了論文，獲得了各種獎學金，而溫娜同學一直獨自進行一項前景和意義均不明朗的研究，難以獲得來自外部的肯定。

但她和姜倩晴博士以及導師柳佃義最終收獲了別人的認可。審稿人一致認為這一工作將引起讀者的廣泛興趣。

日前，相關論文以 Polymer Semiconductor Films and Bacteria Hybrid Artificial Bio-Leaves 為題發在 Science Advances。溫娜和該團隊的助理研究員姜倩晴博士分別是第一作者和第二作者，柳佃義擔任通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Science Advances）

與此同時，他們也一直在努力推動將實驗室技術用于工業化生產中。

如前所說，該團隊還有一個重要的研究方向是有機太陽能電池。2022 年，該課題組在西湖大學的支持下成立了一家公司——西湖光電科技（杭州）有限公司。

他表示：“西湖光電是中國第一家有機光伏器件制造公司，致力于有機光伏和透明光伏技術的產業化推廣。”

（來源：課題組）

透明光伏可以將太陽能轉化為電能，同時不影響自然的可見光環境，是建筑光伏一體化領域一種不可替代的關鍵技術，在透明光伏幕墻和汽車全景光伏天窗等方面具有巨大市場應用潛力。

目前，西湖光電擁有領先的透明光伏技術，光伏組件可均勻透光且透光率（最高可達 90%）和效率均為世界最高。

公司現有管理團隊和技術骨干 12 人，擁有約 500 平米面積的潔凈廠房，眼下已經完成大面積硬質和柔性透明光伏組件的中試工藝研發。

其中，面積為 400cm²的大面積透明有機光伏組件，最高光電轉換效率可以達到 6% 以上，最高平均可見光透光率可以達到 50% 以上。

可以說，左手科研，右手產業——這正是柳佃義科研人生的寫照。未來，他也希望能與從事材料、電化學、生物合成等方面研究的同行多多交流，共同創造新的成果。