利用液滴提高人工光合作用的能量效率

AZoCleantech与来自南洋理工大学关于他研究开发一种简单的人工光合作用方法，不需要复杂的原型设计或精密材料制造。这种方法将藻类的捕光和能量转换特性提高了近三倍。

从生物材料转化能源仍然是一个具有挑战性的过程。是什么激发了您利用普通藻类来提高人工光合作用效率的研究?

多年来，已经开发了大量的技术来提高生物材料(或有机体)产生的能量。藻类一直以来都对科学家很有吸引力，因为它们可以生长、自愈，而且自然资源丰富。许多藻类颜色鲜艳，并有强烈的荧光发射。这激发了我去利用这种资源。可持续性是这个具有挑战性项目背后最重要的动机。

人工光合作用旨在复制植物将阳光转化为化学能的自然生物过程。你认为你研究的总体目标是什么?

近年来，人工光合作用的研究进展迅速。我们研究的总体目标是开发一种简单的人工光合作用方法，不需要复杂的原型设计或精密的材料制造。

尖端技术需要复杂的设计和完美的制造设备，比如专用燃料电池。

虽然它们的效率可能很高，但它们都依赖于电子介质和器件制造。因此，这类设备的再现性通常较低且昂贵。

最近，我们的团队发现，日常生活中的微小液滴可以被用来促进生物能源不需要复杂的设备或复杂的制造。

图片来源:新加坡南洋理工大学

你能概述一下你的团队用来提高效率的方法吗?

这种微小的水滴可以是一杯茶的水滴，厨房平底锅上的油滴，甚至是天上的雨滴。通过限制这些液滴中的光，液滴形成了一个光子谐振器，增强了光和蛋白质(如藻类蛋白质)之间的强相互作用。这就是我们所说的“耳语画廊模式”。这产生的电力多达几倍的增强。任何形式的液体都可能成为液滴，因此可以作为载体加强生物能源．

图片来源:Shutterstock.com/Freedom Life

藻胆蛋白具有独特的发光和光合特性。这些吸收光的蛋白质的潜在应用是什么?

这类蛋白质通常用于生物科学，因为它们具有非常明亮的荧光特性。然而，在能源相关应用领域投入的精力较少。

然而，有可能将这些蛋白质集成到光学和电子应用的光基器件中。

在您的研究中，您提到您的方法将藻类的捕光和能量转换特性提高了近三倍。你的方法是如何实现这一点，从而产生更多的能量?

藻类蛋白质首先被这些液滴包裹。微小的液滴将光线限制在液滴内。液滴形成一个光子谐振腔，以增强光和蛋白质之间的强相互作用。光波表现出耳语画廊波行为，它们在液滴周围弯曲。因此，这种蛋白质暴露在阳光下的时间更长，促进了它的光合作用和整体能量输出。

与没有液滴的装置相比，不会引起光增强，因此输出电量不会增加。

人工光合作用的潜在好处是什么?

十多年来，人工光合作用一直是一个热门的研究领域。科学家们已经无数次尝试模拟藻类叶子从阳光中产生能量的过程。我们知道光合作用是自然的、丰富的、可再生的和可持续的。然而，自然光合作用的效率通常较低，因为它依赖于原始的自然结构。

人工光合作用可以通过引入微纳米材料或生物材料结构来提高效率来解决这一问题。通过这个过程，我们保持了可持续性和可再生性，同时也实现了更高的能源输出与生物材料。

在你的研究过程中，你遇到过什么挑战吗?如果有，你是如何解决的?

使用液滴捕捉光并将其转化为能量一开始是相当具有挑战性的，因为我们必须确保我们捕捉到的信号实际上被我们的设计增强了。因此，标定和控制实验是非常重要的。

另一个问题是，目前的设计在襁褓阶段还很“粗糙”。未来可以通过液滴和电极的微型化来进一步改进和稳定该器件。

人工光合作用可能会引领一种新的，可持续的方式，从阳光发电，不依赖不可再生资源。这种方法将如何改进现有的可再生能源方法?

通过将人工光合作用和生物材料与太阳能电池板或水分解能源概念相结合，可再生能源的新应用在未来可能会打开。

根据您的研究，您实验中使用的微液滴有可能被放大并用于“藻类养殖场”。这些农场是什么?它们对生物能源产业有何益处?

据我所知，有许多泡沫农场或藻类农场，它们培养大量的藻类，并提取它们的能量用于生物燃料。这项技术可能会在这样的农场中实施，并有助于提高藻类的能量生产或其他光合能应用。最重要的是，这种方法所依赖的液滴是完全生物兼容的，可以用来培养活的生物体。

人们对环保和可再生技术的兴趣正在上升。在你看来，人工光合作用的未来是什么样子的?

我想说，人工光合作用可能很快就会在我们的日常生活中实现。既然绿色能源可以成为我们花园、水箱、屋顶甚至道路的一部分，我相信，在未来，它会继续成长，会发生更多的突破。

池塘中大量的藻类会导致严重的环境问题。也许有一天，我们可以把这些生物垃圾转化成有用的能源。

你下一步的研究计划是什么?

到目前为止，我们只在实验室的实验阶段演示了概念验证。下一步，我们希望开发一个更强大的平台和设备集成，可以让我们把这项技术推向真正的行业。

关于陈育正教授

陈宇澄教授于2017年获得美国密歇根大学生物医学工程博士学位，现任新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院助理教授。他的研究主要集中在新一代生物医学和生物能源应用的新型光子传感器、光学微腔、生物光子学和片上激光器件的开发。基于他在生物激光器和光子学方面的卓越成就，他于2021年被授予著名的麻省理工学院35岁以下创新者奖(亚太地区)。在知名期刊上发表了60多篇顶级期刊，被全球数百家媒体广泛报道。