你有没有想过，有一天我们能像植物一样，直接把阳光变成可以用的清洁燃料？最近，瑞士巴塞尔大学的研究团队就从植物的光合作用里找到了灵感，造出了一种神奇的新型分子，让人工光合、太阳能燃料的梦想又近了一大步！
在自然界中，植物的光合作用堪称地球生命的能量基础：植物利用阳光的能量，将二氧化碳和水转化为富含能量的糖类分子；当动物或人类消耗这些碳水化合物、燃烧能量时，又会释放出二氧化碳，形成一个完美的碳中和循环。
科学家们一直想模仿这个过程，造出人工的 “太阳能燃料”—— 比如氢气、甲醇或者合成汽油。这些燃料在燃烧时，只会释放出生产过程中消耗的等量二氧化碳，真正实现碳中和，完全不会额外增加温室气体排放。
但想要实现这一点，有一个关键的难题：光合作用需要多电子的化学反应，比如水分解成氢气和氧气，就需要转移 4 个电子；但单个光子只能激发一个电子，这就需要我们能先把多个电荷临时存储起来，再一起用来驱动反应。
8 月 25 日，巴塞尔大学的 Oliver Wenger 教授与博士生 Mathis Brändlin 在《自然 — 化学》期刊上发表了最新研究，他们终于攻克了这个难题的关键一步：开发出了一种特殊的分子，能在光照下，同时存储 4 个电荷 ——2 个正电荷、2 个负电荷！
新型分子的电荷存储原理示意图 | 来源：Deyanira Geisnæs Schaad / 巴塞尔大学
这个分子的设计堪称精巧：它由五个功能单元串联而成，每个部分都有专属的任务：
• 分子的一端，是两个电子供体单元，它们可以释放电子，从而带上正电；
• 分子的另一端，是两个电子受体单元，它们可以接收电子，从而带上负电；
• 而在分子的正中央，是一个光敏单元，负责捕获阳光的能量，启动整个电子转移的反应。
为了实现这一设计，研究团队从分子合成到功能验证，动用了一系列精密的实验仪器，一步步验证这个分子的能力：
研究人员首先通过精准的有机合成，构建了这个五单元的串联分子。合成完成后，团队首先利用核磁共振波谱仪（NMR）对分子的化学结构进行了逐一表征，确认两个供体、两个受体和中央光敏单元都按照设计精准连接；同时借助高分辨质谱仪（HRMS）验证了分子的精确分子量，确保合成产物的纯度与结构完全符合预期。
接下来，研究人员通过电化学工作站，采用循环伏安法测试了分子各个单元的氧化还原电位，从热力学层面验证了该分子具备依次接收和释放电子、实现多电荷积累的能力，证明了这个设计的可行性。
不同于早期同类研究必须依赖超强飞秒脉冲激光才能触发电荷分离，本次实验中，团队采用了模拟太阳光氙灯光源，提供与自然阳光强度几乎一致的激发条件，来测试分子的光响应能力。借助紫外 - 可见吸收光谱仪，研究人员首先观测到了分子在光照下的吸收光谱变化，初步证实了电荷分离现象的发生。
这个分子采用了分步激发的巧妙机制：第一次闪光照射时，分子触发第一次电子转移，产生一对正负电荷，分别移动到分子的两端；紧接着第二次闪光，再次触发同样的反应，最终让分子同时携带两个正电荷和两个负电荷。
Brändlin 解释道：“这种分步激发的方式，让我们可以用显著更弱的光来完成这个过程，现在我们已经非常接近太阳光的强度了。这和早期研究里必须用的超强激光完全不同，终于让人工光合的愿景变得实际起来。”
为了进一步确认这些电荷能不能稳定存在足够久，来支撑后续的化学反应，团队运用了纳秒泵浦 - 泵浦 - 探测瞬态吸收光谱系统这一核心技术：
通过第一束泵浦光模拟第一次闪光，触发第一次电荷分离；随后间隔特定时间，用第二束泵浦光模拟第二次闪光，触发第二次电荷分离；同时用探测光实时捕捉分子在不同时间的吸收变化，从而清晰追踪到了四个电荷分离后的状态。
通过这一技术，研究人员证实：这些分离后的电荷可以在分子中稳定存在长达数十微秒，足够长的时间来支撑后续的化学反应，比如水分解制氢，完全不会在反应开始前就发生电荷复合、浪费能量。
当然，这个分子目前还不是一个完整的人工光合作用系统 —— 它还没有和催化单元结合，来直接完成水分解或者二氧化碳还原的反应。但正如研究人员所说，这是整个拼图里至关重要的一块。
“我们已经确定并实现了这个关键的核心环节，”Wenger 教授说，“这项新发现能帮我们深化对人工光合核心电子转移过程的理解，我们希望这能为可持续的能源未来，开拓出全新的前景。”
未来，基于这个分子的设计，研究团队可以进一步把它和催化单元结合，最终造出能直接用阳光生产碳中和燃料的人工系统，让我们真正实现像植物一样，把阳光变成取之不尽的清洁能量。
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