光照變成電流概況

太陽的光線出現(xiàn)在生活中的每一個地方，人們的生活已經(jīng)離不開太陽，太陽能不僅為植物生長提供光源，而且也能為人類提供能源，現(xiàn)在的光伏發(fā)電就是很大程度上利用了太陽能。這聽起來不可思議，因為在尋常的認知中，只有生物才能進行光合作用。然而，北京大學地球與空間科學學院魯安懷團隊日前發(fā)表于《美國科學院院刊》的研究揭示，自然界無機礦物可轉(zhuǎn)化成太陽能系統(tǒng)，地表礦物也有光合作用。

“最初，我們自己也不敢確定，發(fā)現(xiàn)并提出這樣一個新現(xiàn)象、新觀點是否會被業(yè)界認可。”魯安懷接受科技日報記者采訪時說，本次研究采用了環(huán)境礦物學、半導體物理學與光電化學等交叉學科研究手段，凝聚了團隊長達18年的心血，其間曾獲得若干國家自然科學基金項目等資助。

魯安懷告訴記者，驚人的是，這種現(xiàn)象分布在我們星球許多地貌景觀的礦物表面上，既不罕見亦不隱秘，而是隨處可見。

與植物光合作用有區(qū)別

廣義上的光合作用是指物質(zhì)吸收太陽光后發(fā)生物理、化學等反應的過程;狹義上的光合作用理論(即經(jīng)典光合作用理論)則是指生物利用光能，把二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成有機物，并釋放出氧氣的過程，通俗地說，就是植物的呼吸作用。礦物屬于無機物，如何發(fā)生光合作用呢?實際上，已有研究表明，植物把水變成氧氣這一過程中，錳簇化合物即錳的氧化物(無機物)起著關(guān)鍵作用。也就是說，即便從經(jīng)典的生物光合作用上來解釋，無機物也與光合作用有著莫大關(guān)聯(lián)，甚至可以說是生物光合作用的起源。

魯安懷團隊對中國北方戈壁、沙漠以及南方喀斯特和紅壤等典型地貌中巖石/土壤樣品進行了深入系統(tǒng)觀測分析，發(fā)現(xiàn)直接暴露在太陽光下的巖石/土壤顆粒體表面普遍覆蓋著一層鐵錳氧化物——“礦物膜”，其結(jié)構(gòu)構(gòu)造與化學成分顯著區(qū)別于被包覆的巖石或土壤。

他們發(fā)現(xiàn)，這些鐵錳氧化物半導體“礦物膜”能吸收太陽光并將其轉(zhuǎn)化成光電子。盡管理論分析顯示，“礦物膜”中的錳氧化物礦物在吸收光能之后具備催化氧化水產(chǎn)生氧氣的潛力，而且能“固定”大氣中二氧化碳，但目前尚未證實“礦物膜”能否釋放氧氣。“雖然我們發(fā)現(xiàn)礦物可以轉(zhuǎn)化太陽能，但目前還不能跟生物的光合作用一一對應。”魯安懷說。

太陽曬出來的“礦物膜”

地表“礦物膜”與太陽光關(guān)系密切，說它是“太陽曬出來的”產(chǎn)物一點都不足為奇。

通常，日照越強，“礦物膜”發(fā)育狀況越好。“在南北向山溝兩側(cè)斷崖上，溝東側(cè)的‘礦物膜’往往比溝西側(cè)的‘礦物膜’發(fā)育得更好。”魯安懷解釋道，因為西側(cè)受到上午太陽光的照射，東側(cè)受到午后太陽光照射，而午后的太陽光更強烈。“當然，山的陽面‘礦物膜’往往比陰面‘礦物膜’發(fā)育得更好，高原日光強輻照區(qū)‘礦物膜’也發(fā)育得更好。”

“礦物膜”發(fā)育得越好，就越“黑亮”，其中錳含量越高，而且富含促進其光催化功能的稀土元素鈰(Ce)。富錳礦物僅在日光照射下的紅壤礦物顆粒、喀斯特和戈壁巖石正面“礦物膜”中出現(xiàn)，最常見的是半導體性能優(yōu)良的層狀結(jié)構(gòu)水鈉錳礦，而無光照的巖石背面則不富集水鈉錳礦。

在全球陸地系統(tǒng)中，深色富錳“礦物膜”的分布恰與太陽光的強輻射區(qū)域相吻合。此現(xiàn)象在類地行星表面也有發(fā)現(xiàn)，如火星表面同樣發(fā)現(xiàn)深色富錳“礦物膜”存在于裸露巖石表面的證據(jù)。

鐵錳氧化物“礦物膜”不僅存在于陸地地表，還存在于海洋透光層中?？梢哉J為地表“礦物膜”是地球上分布最廣的天然“太陽能薄膜”，從功能上“礦物膜”相當于繼地核、地幔和地殼之后的地球第四大圈層，構(gòu)成了地球“新圈層”。魯安懷表示，進一步揭示地球“新圈層”功能有助于理解地球物質(zhì)演化、生命起源進化與環(huán)境演變的宏觀過程。

具有穩(wěn)定的光電轉(zhuǎn)化性質(zhì)

“礦物膜”具有較好的日光響應性能，用它制作的電極在可見光照射下能產(chǎn)生明顯的光電流，而光電流的產(chǎn)生主要與鐵錳氧化物有關(guān)。

魯安懷向記者介紹，“礦物膜”在日光輻射下可產(chǎn)生光電子能量，具有穩(wěn)定的光電轉(zhuǎn)換性質(zhì)。繼太陽光子能量和元素價電子能量之后，發(fā)現(xiàn)地表第三種能量形式——礦物光電子能量。礦物光電子可將大氣中二氧化碳有效還原為甲酸和甲烷等小分子有機物質(zhì)，為地球早期生命起源進化提供基本物質(zhì)。2012年，魯安懷團隊曾在《自然·通訊》上發(fā)表文章，揭示了微生物利用這種光電子的機制。

據(jù)文章公布的一組數(shù)據(jù)，以全球日光平均輻照強度計算，一平方米沙漠巖石漆平均每秒可釋放22.3萬億由光誘導的電子。“這些光電子可能是某些細菌細胞外能量的重要來源。”魯安懷說道，鑒于地表“礦物膜”所覆蓋的陸地面積如此之大，它們所產(chǎn)生的“光合作用”不可忽視。

專家表示，在自然界中，不同半導體礦物的光電子具有不同的能量，可對地表元素化合態(tài)及其地球化學循環(huán)路徑乃至微生物胞外電子傳遞產(chǎn)生普遍的影響。魯安懷稱，接下來他將和團隊進一步研究，以揭示更多有關(guān)地表“礦物膜”的秘密。如果某一天人們能高效利用太陽能，相信能解決很大的能源問題，畢竟太陽能是符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的，能保證人類的永續(xù)發(fā)展，需要我們科研人員更加努力。