太阳给地表贴了层“膜”,让光照变成电流

2019-05-16 02:00:34   来源:科技日报   

    第二看台

    自然界的矿物也在发生“光合作用”。

    这听起来不可思议,因为在寻常的认知中,只有生物才能进行光合作用。然而,北京大学地球与空间科学学院鲁安怀团队日前发表于《美国科学院院刊》的研究揭示,自然界无机矿物可转化成太阳能系统,地表矿物也有光合作用。

    “最初,我们自己也不敢确定,发现并提出这样一个新现象、新观点是否会被业界认可。”鲁安怀接受科技日报记者采访时说,本次研究采用了环境矿物学、半导体物理学与光电化学等交叉学科研究手段,凝聚了团队长达18年的心血,其间曾获得若干国家自然科学基金项目等资助。

    鲁安怀告诉记者,惊人的是,这种现象分布在我们星球许多地貌景观的矿物表面上,既不罕见亦不隐秘,而是随处可见。

    与植物光合作用有区别

    广义上的光合作用是指物质吸收太阳光后发生物理、化学等反应的过程;狭义上的光合作用理论(即经典光合作用理论)则是指生物利用光能,把二氧化碳和水转化成有机物,并释放出氧气的过程,通俗地说,就是植物的呼吸作用。矿物属于无机物,如何发生光合作用呢?实际上,已有研究表明,植物把水变成氧气这一过程中,锰簇化合物即锰的氧化物(无机物)起着关键作用。也就是说,即便从经典的生物光合作用上来解释,无机物也与光合作用有着莫大关联,甚至可以说是生物光合作用的起源。

    鲁安怀团队对中国北方戈壁、沙漠以及南方喀斯特和红壤等典型地貌中岩石/土壤样品进行了深入系统观测分析,发现直接暴露在太阳光下的岩石/土壤颗粒体表面普遍覆盖着一层铁锰氧化物——“矿物膜”,其结构构造与化学成分显著区别于被包覆的岩石或土壤。

    他们发现,这些铁锰氧化物半导体“矿物膜”能吸收太阳光并将其转化成光电子。尽管理论分析显示,“矿物膜”中的锰氧化物矿物在吸收光能之后具备催化氧化水产生氧气的潜力,而且能“固定”大气中二氧化碳,但目前尚未证实“矿物膜”能否释放氧气。“虽然我们发现矿物可以转化太阳能,但目前还不能跟生物的光合作用一一对应。”鲁安怀说。

    太阳晒出来的“矿物膜”

    地表“矿物膜”与太阳光关系密切,说它是“太阳晒出来的”产物一点都不足为奇。

    通常,日照越强,“矿物膜”发育状况越好。“在南北向山沟两侧断崖上,沟东侧的‘矿物膜’往往比沟西侧的‘矿物膜’发育得更好。”鲁安怀解释道,因为西侧受到上午太阳光的照射,东侧受到午后太阳光照射,而午后的太阳光更强烈。“当然,山的阳面‘矿物膜’往往比阴面‘矿物膜’发育得更好,高原日光强辐照区‘矿物膜’也发育得更好。”

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