人工光合作用原理

1. 人工光合作用原理

农谚是劳动人民经过无数实践得出的智慧结晶，蕴含着很多科学原理。例如，“春雨满囤粮”，强调的是水分对庄稼的重要性......注：本视频根据2019新人教版教材制作。

2. 麦克阿瑟天才奖的华人获奖者

获得该奖项的杰出华人天才包括：徐冰1999年获得美国文化界最高奖：麦克·阿瑟奖（MAC ARTHUR AWARD），是第一位获得该奖的华人。徐冰（1955-）祖籍浙江温岭，生于重庆。1977年考入中央美术学院版画系，1981年毕业留校任教，1987年获中央美术学院硕士学位。1990年接受美国威斯康辛大学的邀请，做为荣誉艺术家移居美国。2008年回国，现为中央美术学院副院长、教授、博士生导师，中国最著名的当代艺术家。在自20世纪八十年代末开始创作的成名作《天书》系列中，他亲自设计刻印数千个“新汉 字”，以图象性、符号性等议题深刻探讨中国文化的本质和思维方式，成为中国当代艺术史上的经典。九十年代移居美国后陆续创作《新英文书法》、《鬼打墙》、《地书》等。此外，本世纪以来徐冰的创作面向更为丰富，特别是其日益关注的艺术介入社会的题材，《烟草计划》、《木林 森》、《凤凰》等均是颇具深度的代表作品。鉴于在当代艺术领域的杰出贡献，1999年他荣膺美国文化界最高奖“麦克·阿瑟天才奖”；       庄小威2003年获得麦克阿瑟基金会天才奖的庄小威，是该基金会史上颁发的第一名华裔女科学家。34岁成为哈佛大学化学和物理系的双聘教授。庄小威利用改进的荧光光谱技术来研究单个分子，从而揭示复杂的生物过程。2003年，她正利用这种方法研究流感和艾滋病病毒如何侵入宿主细胞，这有助于研发治疗病毒性疾病的方法。陶哲轩2006年麦克阿瑟基金天才奖唯一一名获奖华人是天才数学家陶哲轩是唯一获奖的华裔。这是陶哲轩在一个月内获得的第二个大奖，他在8月22日举行的第25届国际数学家大会上，获得了数学界的最高荣誉──菲尔兹奖 (俗称数学诺贝尔奖)。麦克阿瑟基金会(The John D. and Catherine T. MacArthur Foundation)的称赞陶哲轩的研究涉及多个领域，如：调和分析、偏微分方、组合数学和数论，并为多个数学界长久以来的推测(conjecture)提供了证明，他的研究也为许多领域开创了新的思维，对这些领域未来的发展有重大影响。何琳生物学家何琳何琳是2009年度二十四位获奖者中的唯一华裔。1997年从清华大学毕业，2003年在斯坦福大学获得博士学位，现任加州大学伯克利分校分子和细胞学助理教授。何琳关于研究微小核糖核酸分子在癌症形成和治疗中的作用而获得奖金。沈伟于2007荣获美国“麦克阿瑟奖天才奖”的纽约美籍华人编舞家沈伟，出身于中国湖南，5岁学中国画，9岁在湖南省艺校学习中国传统戏曲，毕业后任湖南省湘剧院演员，后又学舞蹈，成为广东现代舞团舞蹈演员及编舞。多才多艺兼善绘画，曾在2008北京奥运会开幕式上以中国传统水墨、结合现代舞姿打动全世界。萧强2001年得奖，现为加州大学柏克莱分校信息学院专聘教授。张益唐2014年获奖 。主要贡献在于2013年4月17日向《数学年刊》（Annals of Mathematics）投稿证明存在无穷多对素数相差都小于7000万的论文《Bounded gaps between primes》。同年5月21日，该篇论文被数学年刊接受。杨培东2015年获奖。杨培东是国际顶尖的纳米材料学家，美国艺术与科学院院士。他1988年从木渎中学毕业后考入中国科学技术大学应用化学系，1999年至今，先后任美国加州大学伯克利分校化学系助理教授、副教授、教授。2012年4月18日，他当选美国艺术与科学院院士。2014年4月17日，杨培东团队在人工光合作用方面取得划时代的科研成果，有望解决由二氧化碳引起的全球气候变暖这一科学难题。

3. 人工光合作用会对地球的气候问题起到什么样的作用？

如今的地球面临着前所未有的挑战，全球变暖成为了当今世界的大趋势，即使很多国家制定了相关保护政策，但在大趋势下仍然有些杯水车薪。全球变暖带来的影响是一系列的，海平面上升，冻土层融化，生命消亡，这些都是未来的结局。

想要减缓全球变暖的步伐，必须要减少二氧化碳的排放，除了人类的制约行为外，能够从源头上解决，那便事半功倍了。如果人类可以利用科学技术，制造出人工合成光合作用的技术，是否意味着全球变暖就有救了呢？这个想法虽然很美好，但实施起来却非常困难。地球上的植被面积是有限的，随着人类对森林植被的破坏，很多湿地也成为了荒漠，光合作用大大降低，又怎能控制得了二氧化碳呢？就在最近英国的科学家团队，取得了一项重大成就，他们利用科学技术实现了人工光合作用。

科学家所制造的光合作用与自然界中的植物是不同的，自然界中的植物利用水和二氧化碳结合光照便能够制造出糖和氧气。英国的科学家们并没有制造出糖类，而是制造出了甲酸。很多人对甲酸可能并不了解，甲酸的用途可谓是十分广泛。在整个化学过程中不仅可以吸收二氧化碳，产生的甲酸还可以减少工业上的能源排放，如果把甲酸转变为氢气，就相当于制造出了一种清洁能源，可以说得上是一种非常绿色的清洁方式了。

这项实验给科学家带来了极大的信心，如果这项技术能够得到推广，对于全球变暖是沉重一击，这项实验之所以能取得成功，与他们所使用的光触媒片有很大关系。这种光触媒片是利用半导体粉末制成的，把它放在水中，经过了阳光照射，就可以产生氧化反应，简单又高效。

光触媒片的面积非常小，只有20平方厘米，所释放的氧气还是非常有限的。当然这也只是科学家所进行的起步实验，随着科技水平的提高和研发的深入，相信在不久的未来，人造光合作用将会发展为一个产业。大量的光触媒片整齐有序的排列在地面上，吸收了充足的太阳能后，释放出大量氧气减缓全球变暖。

这项实验并不是终点，而是一个起点，科学家仍在进行研究。这项实验只有步入正轨投入使用，它意味着地球环境能够有所改善，人类也将进入清洁时代。

4. 人工光合作用目前的难点

人工光合作用是模拟植物的光合作用，利用太阳光制氢。具体的过程为：首先，利用金属络合物使水中分解出电子和氢离子；然后，利用太阳能提高电子能量，使它能和水中的氢离子起光合作用以产生氢。人工光合作用过程和水电解相似，只不过利用太阳能代替了电能。目前还只能在实验室中制备初微量的氢气，光能的利用率也只有15%--16%。

5. 人工光合作用的有效性如何提升?

人工光合作用是模拟植物的光合作用，利用太阳光制氢。具体的过程为：首先，利用金属络合物使水中分解出电子和氢离子；然后，利用太阳能提高电子能量，使它能和水中的氢离子起光合作用以产生氢。人工光合作用过程和水电解相似，只不过利用太阳能代替了电能。目前还只能在实验室中制备初微量的氢气，光能的利用率也只有15%--16%。

6. 人工光合作用目前的进展和难点是什么？

人工模拟光合作用反应中心光诱导电子转移（PET）过程的工作展开已久。20世纪90年代初期以前人们构建的光合作用人工模拟体系主要是光敏色素，电子给体和受体共价键结合的体系，其中的色素通常采用与叶绿素结构类似的卟啉类衍生物，通过共价键代替了生物蛋白的作用。人工模拟体系的设计主要基于两方面考虑：一是如何选择光敏色素、电子给体和受体，特别关键的是其激发态能级，光物理参数以及相关态之间的氧化还原反应电势；二是如何选择控制模型体系中各组件之间的相互作用和组织原则，因为这对量子转移过程的速率及量子效率方面起到主要作用。最新和最复杂的通过分子间相互作用构筑光合作用人工模拟体系的工作由胡义镇和Itaru[2]  他们合成了血红素-联吡啶钌-环二（百草枯-对亚苯基）模型体系，该体系包括敏化剂三（2，2‘-联吡啶）钌络合物、受体环二（百草枯-对亚苯基）（BXV4+0和作为次级电子给体的血红素部分（与一个联吡啶配体共价键结合），然后再与肌红蛋白重组，进而进行PET研究，结果得到了可以与天然体系相比的长寿命的电荷分离态Mb（FeⅣ=O）-Ru2+BXV3+ ，其寿命大于2ms，而且是在水溶液中进行的。还有一种通过特殊催化剂光解水的模拟方法也取得了新的进展。据国外媒体报道，美国麻省理工学院（MIT）的科学家日前在实验室内再现了光合作用的过程，在整个过程中光合作用将水分解成氢和氧，并产生了可供燃烧的氢气和氧气。该实验的意义在于光合作用产生的能量能够被人类利用，这种技术将引发一场太阳能使用革命，并补偿煤炭，石油等不可再生资源的损耗。这两名科学家名叫诺塞拉（Daniel Nocera）和卡南（Matthew Kanan），他们找到了一种简单实惠的方法将水分解成氢气和氧气，这种方法的原理和光合作用差不多，只是将太阳能转化了可燃烧的氢气和氧气。虽然找到了理想的催化剂，但研究人员表示，这可能是偶然之中的意外收获，还有很多问题有待解决，解决这些问题将有利于进一步提高催化效率。

7. 移民火星新进展：在火星上也能进行人工光合作用？

曾经，在中央电视台的一档节目中，纳米社社员们领略过杨院士的厉害，“人类将来要移民到火星上去是完全有可能的”“人工光合作用”“用纳米导线和细菌形成的复合体，把二氧化碳合成燃料和氧气！”这些脑洞大开的观点，让同学们无限神往。

杨培东来啦！杨培东，清瘦儒雅、衣着简朴。然而，他却是独墅湖学校纳米社团的学生最想见到的纳米大咖！他是国际顶尖的纳米材料专家，美国国家科学院、科学与艺术学院双院院士，是全球纳米光电与纳米能源领域的开拓者与奠基人。
而今天，同学们的愿望实现了！杨院士来苏州了！他带来了最新的报告《纳米科学的前沿技术和应用前景》，来自各相关行业的领导、专家约200人慕名前来，社员们也有幸参加聆听了这次报告。

会上，杨院士介绍了他们团队的主要研究成果：氢能源催化剂、人工光合作用、火星计划??70%的生物学家都认为地球将面临第六次物种大灭绝，灾难来临前通过星球移民拯救人类已经被提上了日程，最雄心勃勃的就是伊隆·马斯克（Elon Musk），他要把100万人类送到火星上去。材料化学家、加州大学伯克利分校教授杨培东团队有关人工光合作用的最新成果发布后引起了业界的震动，因为在近似自然阳光照射200小时的环境下，杨培东团队实现的太阳能转化率达到了0.38%，这与自然界（光合作用）叶子的转化率相同。之后，很多人就把人工光合作用和改造火星大气自然地连接在了一起。很快，杨培东团队吸引到了NASA（美国国家航空航天局）的注意，因为这项技术为人类火星移民带来了希望。但人工光合作用的价值远不止于此，它将有效地减缓全球变暖以及对非可再生资源的依赖。
在互动交流环节，场下听众纷纷举手提问，我们的社员同学也不甘落后，连主办方也被同学的热情打动。社员陈弈华平时非常喜欢上的课就是纳米课，他向杨院士提问到：“请问您的研究成果，受益最多的是哪些人群？”杨院士风趣地回答：“我们现在正在做的是移民火星项目，成功后受惠的是全人类！”社员王宇豪针对杨院士团队的科研产品量子点屏幕提问：“产品价格会不会高？普通老百姓能不能承受？”杨院士对这样接地气的问题进行了认真的回答：“目前量子点屏幕的电视机确实比较贵，但是随着量产化，成本下降后，价格也会随之而下降。”而对杨院士的研究方向——在火星上进行人工光合作用，陈弈华同学又提问：“火星上的太阳能很微弱，如何解决这个问题？”杨院士耐心介绍道：“火星上的太阳能确实比地球上弱，但是二氧化碳的浓度非常高，可以在一定程度上补偿。”

中学生能提出如此有价值的问题，这让在座的嘉宾啧啧称赞，杨院士也对这群中学生刮目相看。会后，杨院士还与社员和辅导老师一同合影，他勉励我们的社员，在中学阶段，关键是要培养兴趣，要乐于思考，要有创新的意识。
这次与大咖的面对面交流，让社员们收获满满。前沿科技的魅力、科学家朴实无华的品德、潜心钻研的精神、为人类谋福利的伟大抱负，让孩子们收到了一次心灵的启迪。

8. 人工光合作用

人工光合作用
光合作用广泛存在于自然界，叶绿体收集太阳光能，将水和二氧化碳转化为有机物（首先是葡萄糖），放出氧气。