来源 | 西湖大学
正逢秋日，叶子与树木“告别”的季节。
当踩到路上的落叶，脚下发出咯吱咯吱的声响时，你是否曾想过，这些看似平凡的树叶，曾在枝头默默完成了一项神奇的使命？
通过光合作用，吸收二氧化碳，释放氧气，维系着地球上所有生命的呼吸与共生。在大自然精妙的“设计”中，树叶无疑是最奇妙的“工厂”之一。
人类能复刻这个大自然神奇的“魔法”吗？
如果可以，我们可以利用这个“工厂”来制造清洁能源，减少二氧化碳排放，减缓气候变化速度……来帮助人类更好地应对未来的能源和环境挑战。
最近，在西湖大学工学院柳佃义的实验室里，长出了与自然树叶十分相似的“人工生物叶片”。
这片叶子，正静静地躺在培养皿中，等待着阳光的召唤。
人工树叶的概念最早诞生于20世纪80年代，目的是通过光能分解水大规模制备氢气以及利用二氧化碳制备有机物。
如果看到科学家称呼一管溶液为“人工树叶”，也无需大惊小怪。因为人工树叶一开始模拟的是树叶的“功能”，而非“形态”。
为什么科学家要去研究人工树叶呢？
“天然叶片经过数亿年的进化，结构精妙，但它们的光合作用效率并不高，大约只有1%。”柳佃义解释道。天然叶片只吸收蓝紫光和部分近红外光，吸收的光子数有限，效率受到限制。
所以，想象一下，如果科学家能够根据不同需求来优化设计叶片，选择合适的材料，提高其光吸收效率，克服光合作用的局限性，那么，这些人工叶片不就可以成为“没有感情”的高效“光合作用机器”了！
关于设计人工装置来模仿自然树叶的光合作用的研究已有数十年，此次柳佃义实验室复刻的人工树叶跟其他“人工树叶”相比，有何特别之处？
第一眼看到它，你会发现它长得像一片“真正的树叶”。仔细观察这片树叶，从表面上看，它只是一张薄薄的膜，但其内部却蕴含着复杂的仿生设计。
叶片的核心，是由光电半导体与特殊细菌构成的“合作体”，一旦接触到阳光，半导体便会捕捉光能并将其转化为电子运动——这股能量如同“营养剂”般传递给附着在半导体上的细菌，使其“活力十足”，开始高效地将二氧化碳转化为醋酸盐等有机物。
“这是一片真正意义上的人工生物叶片。”柳佃义说。它不仅具有叶子的的形态，还能像天然叶片一样吸收阳光、转化二氧化碳，并且具备真正的生命活力——就像是一座拥有“呼吸”与“代谢”功能的活体“微型工厂”。
“复刻”一片树叶，需要几个步骤？
这样的神奇的树叶，到底是怎么做出来的？
一起走进柳佃义的实验室，看看复刻一片树叶需要几个步骤。
在自然界中，树叶的神奇之处在于它们能够通过光合作用将阳光转化为能量。而这个过程的核心，正是叶绿素。为了让人工叶片具备光合作用的功能，在实验室中，柳佃义团队首先面临的挑战，就是找到一种能够模拟叶绿素的“动力源”。
他们选中了聚合物半导体薄膜，这种材料能够高效地吸收光并产生电子，堪称人工叶片的“光捕手”。
为了让叶片拥有更强的吸光和转化效率，团队进一步设计了一种“体异质结”结构。简单来说，这种结构就像一块高效的“能量电池”，能在阳光下将电子和带正电的“空穴”分开，避免能量内部消耗，从而让叶片持续吸光。
生物人工光合系统电子传递原理示意图
最终，这片半导体薄膜吸收的光能会转化成细菌的“养分”，为叶片提供源源不断的动力。
“其实，仿生光合作用的概念并不新鲜。”柳佃义说，“几十年前，科学家们就设想用无机材料来完成‘光合作用’，分解水生成氢气和氧气。但它们往往缺少真正生物的生命活力，只具备部分光合作用的功能。”
用半导体材料代替叶绿素捕捉光能，用细菌充当“工人”完成“工作”。这种独特的组合使得人造叶片不仅仅是一个转化装置，更成为了一座活体“工厂”。
拥有了光合作用的“动力源”之后，接下来的目标，便是赋予叶片真正的“生命力”——让叶片不仅能够吸光，还能“活”起来。
在叶片的“心脏”中，关键的部件是一层薄如蝉翼的柔性薄膜，这层薄膜上寄居着许多具备二氧化碳转化功能的细菌。这些“微小工人”并非天然存在于树叶中，而是经过精心筛选和特殊设计的“外来细胞工人”。半导体材料负责吸收太阳光，将光能传递给细菌，从而大幅提高二氧化碳转化的效率。
“在这个过程中，细菌就像是‘催化剂’，帮助叶片不断进行二氧化碳的转化。”柳佃义形象地解释道。
要让这些细菌“住”在叶片上，团队进行了反复实验，最终找到合适的附着方式，使细菌在半导体薄膜上“安家”。细菌获得半导体传递的能量后，源源不断地“吞食”二氧化碳，并将其转化成有用的有机物。
自此，叶片的“生命力”开始显现：这个多功能的“微型工厂”，不仅可以自由呼吸，还能不断地“繁殖扩散”。
有了动力源和生命力后，接下来的一大挑战，是让人工叶片具备“形态”。
在过往的研究中，很多人工光合作用系统只是溶液状态，缺乏树叶的固态形态。而这次，柳佃义团队一开始就设定了一个明确的目标：既然叫做“人工树叶”，那这片叶片不仅要有功能，更要具备叶片的形态和结构。
为了解决这一问题，柳佃义团队使用了轻质柔性衬底，利用这种柔性、轻质的基底材料，将聚合物半导体薄膜铺在上面，这样一来，叶片就可以像水生植物叶片一样漂浮在水面上。这一设计不仅让叶片能够在阳光下吸收二氧化碳，还可以在未来大规模应用，作为绿色碳汇。
此外，团队还设计了“准固态”人工叶片，通过加入琼脂等材料，使叶片具备了更高的结构稳定性。这样，这片叶片不仅在水面上能工作，在陆地环境中也能稳定发挥作用。
通过这一步，人工叶片不仅有了功能，还具备了与天然叶片相似的形态，成为一个完整的系统。
具有生命且具有与天然树叶相同形态和功能的人工树叶示意图
拥有了能吸光的“动力源”、能活的细菌、和稳定的形态之后，人工叶片已初具雏形。
而柳佃义团队所希望的，不仅仅是一个会光合作用的装置，更是一片真正能参与自然循环的“人工叶片”。
团队通过实验发现，这片叶片产生的醋酸盐不仅可以用于工业原料，还可以进一步用来培养酵母，为食物生产提供养分。这一循环的设计，使人工叶片不再只是一个实验室产品，而是有可能融入生态系统的“新物种”。
经过这项研究，人工叶片得以在实验室中实现从碳到食物的完整转化，初步具备了人工生态系统的功能。
产生的醋酸盐进一步用于培养酵母以生产食品
从材料设计到赋予“生命”，从功能实现到生态循环，做一片叶子看似只需要简单的“四个步骤”，柳佃义团队却耗时四年时间。
因为，这个过程充满了跨学科的挑战，涉及生物学、化学、材料科学、工程等多个领域。
翻看西湖大学官网上柳佃义的简历，他长期从事光电材料与器件相关领域的研究，此前，对于生物学领域的知识了解十分有限。得益于西湖大学浓厚的学科交叉氛围，除了翻阅相关文献资料，研究团队还可以随时与生命科学学院的实验室相互交流、相互学习。
最终，从完全陌生的领域，到一步一步解决问题，材料科学、生物工程、物理化学——这些领域在这片叶子上巧妙地交织，让人工叶片从构想来到现实。
未来，不同领域的科学家，将能在此基础上迈出更多步，推动这片叶子走向更广阔的应用领域。
畅想一下，或许不久的将来，这些“会呼吸”的叶片会漂浮在水面上、覆盖在建筑顶层，默默地吸收二氧化碳，生成氧气和有机物，真正成为一座座小小的“绿色工厂”。
如果再想象更远的未来：当人类向火星等星球进发时，也许这些人工叶片会成为随行的“旅伴”，利用外星丰富的二氧化碳，为我们带来氧气和食物，让生命在异星环境中延续下去……
一片两片三四片，期待这些人工生物叶片能实验室中“放飞”，飘向更广阔的世界，带来更多可能。
点击链接，了解更多研究介绍：
https://mp.weixin.qq.com/s/UeQbyeZhc7jBAZgnYchB5g
文章信息：
Na Wen, Qianqing Jiang, Dianyi Liu*, Polymer Semiconductor Films and Bacteria Hybrid Artificial Bio-Leaves, Sci. Adv., 2024, 10, eadp8567.
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp8567
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