仿生继电器大大提高人造树叶反应速度

最近，美国亚利桑那州立大学（ASU）的科研团队与阿尔贡国家实验室携手合作，取得了一项令人振奋的科研进展。他们模拟自然界光合作用的精妙机制，成功研发出一种仿生电子“中继器”，极大地提升了人造树叶的反应速度，为廉价且高效地将太阳能转化为氢气和氧气铺平了道路。相关的研究成果已经以论文的形式，在《自然·化学》杂志在线发表。

研究之初，他们面临一个重大挑战：最初的人造树叶表现并不理想。ASU的化学教授托马斯·摩尔指出，问题的关键在于一个快速化学反应步骤需要与缓慢的化学步骤协同工作，否则整个反应过程效率低下。快速步骤负责将光能转化为化学能，而慢速步骤则利用化学能将水转化为氢气和氧气。

物理学家组织网于2月18日报道，研究团队深入研究了自然界中光合作用如何氧化水产生氧气的过程。摩尔教授表示，他们发现大自然利用了一个关键的中间步骤，即电子“中继器”。这个“中继器”的一半与快速步骤协同工作，以最优的方式配合它；另一半则有时间与慢速的水氧化反应配合，形成了一种高效的化学反应方式。受到自然界的启发，研究团队设计了一种人造电子“中继器”，显著改进了反应过程。

为了验证这一改进的有效性，研究团队运用了一系列先进的科研技术，包括X-射线晶体衍射、光学和磁共振波谱等，对新的系统进行了详细的观察和分析。他们深入研究了参与“中继器”工作的电子和质子的局部电磁环境，并结合质子耦合电子传递机制的理论，发现了“中继器”独特的结构特征。在这个结构中，原子间异常短的键有助于“中继器”的精准运作。人造“中继器”的电子结构还展现出一些微妙的磁特征，这些特征与自然界系统中的特征相呼应。

这项研究不仅为我们提供了一种更高效、更廉价地利用太阳能的新途径，而且还揭示了自然界光合作用的深层次机制，为我们未来在相关领域的研究开辟了新的道路。