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太阳给地表贴了层“膜”,让光照变成电流

来源:科技日报2019-05-16 09:49

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  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。”

  “矿物膜”发育得越好,就越“黑亮”,其中锰含量越高,而且富含促进其光催化功能的稀土元素铈(Ce)。富锰矿物仅在日光照射下的红壤矿物颗粒、喀斯特和戈壁岩石正面“矿物膜”中出现,最常见的是半导体性能优良的层状结构水钠锰矿,而无光照的岩石背面则不富集水钠锰矿。

  在全球陆地系统中,深色富锰“矿物膜”的分布恰与太阳光的强辐射区域相吻合。此现象在类地行星表面也有发现,如火星表面同样发现深色富锰“矿物膜”存在于裸露岩石表面的证据。

  铁锰氧化物“矿物膜”不仅存在于陆地地表,还存在于海洋透光层中。可以认为地表“矿物膜”是地球上分布最广的天然“太阳能薄膜”,从功能上“矿物膜”相当于继地核、地幔和地壳之后的地球第四大圈层,构成了地球“新圈层”。鲁安怀表示,进一步揭示地球“新圈层”功能有助于理解地球物质演化、生命起源进化与环境演变的宏观过程。

  具有稳定的光电转化性质

  “矿物膜”具有较好的日光响应性能,用它制作的电极在可见光照射下能产生明显的光电流,而光电流的产生主要与铁锰氧化物有关。

  鲁安怀向记者介绍,“矿物膜”在日光辐射下可产生光电子能量,具有稳定的光电转换性质。继太阳光子能量和元素价电子能量之后,发现地表第三种能量形式——矿物光电子能量。矿物光电子可将大气中二氧化碳有效还原为甲酸和甲烷等小分子有机物质,为地球早期生命起源进化提供基本物质。2012年,鲁安怀团队曾在《自然·通讯》上发表文章,揭示了微生物利用这种光电子的机制。

  据文章公布的一组数据,以全球日光平均辐照强度计算,一平方米沙漠岩石漆平均每秒可释放22.3万亿由光诱导的电子。“这些光电子可能是某些细菌细胞外能量的重要来源。”鲁安怀说道,鉴于地表“矿物膜”所覆盖的陆地面积如此之大,它们所产生的“光合作用”不可忽视。

  专家表示,在自然界中,不同半导体矿物的光电子具有不同的能量,可对地表元素化合态及其地球化学循环路径乃至微生物胞外电子传递产生普遍的影响。鲁安怀称,接下来他将和团队进一步研究,以揭示更多有关地表“矿物膜”的秘密。(代小佩)

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