當踩到路上的落葉，腳下發出咯吱咯吱的聲響時，你是否曾想過，這些看似平凡的樹葉，曾在枝頭默默完成了一項神奇的使命？
通過光合作用，吸收二氧化碳，釋放氧氣，維系著地球上所有生命的呼吸與共生。在大自然精妙的“設計”中，樹葉無疑是最奇妙的“工廠”之一。
人類能復刻這個大自然神奇的“魔法”嗎？
如果可以，我們可以利用這個“工廠”來制造清潔能源，減少二氧化碳排放，減緩氣候變化速度……來幫助人類更好地應對未來的能源和環境挑戰。
最近，在西湖大學工學院柳佃義的實驗室里，長出了與自然樹葉十分相似的“人工生物葉片”。這片葉子，正靜靜地躺在培養皿中，等待著陽光的召喚。
什么是人工樹葉？人工樹葉的概念最早誕生于20世紀80年代，目的是通過光能分解水大規模制備氫氣以及利用二氧化碳制備有機物。
如果看到科學家稱呼一管溶液為“人工樹葉”，也無需大驚小怪。因為人工樹葉一開始模擬的是樹葉的“功能”，而非“形態”。
為什么科學家要去研究人工樹葉呢？
“天然葉片經過數億年的進化，結構精妙，但它們的光合作用效率并不高，大約只有1%。”柳佃義解釋道。天然葉片只吸收藍紫光和部分近紅外光，吸收的光子數有限，效率受到限制。
所以，想象一下，如果科學家能夠根據不同需求來優化設計葉片，選擇合適的材料，提高其光吸收效率，克服光合作用的局限性，那么，這些人工葉片不就可以成為“沒有感情”的高效“光合作用機器”了！
關于設計人工裝置來模仿自然樹葉的光合作用的研究已有數十年，此次柳佃義實驗室復刻的人工樹葉跟其他“人工樹葉”相比，有何特別之處？
第一眼看到它，你會發現它長得像一片“真正的樹葉”。仔細觀察這片樹葉，從表面上看，它只是一張薄薄的膜，但其內部卻蘊含著復雜的仿生設計。
葉片的核心，是由光電半導體與特殊細菌構成的“合作體”，一旦接觸到陽光，半導體便會捕捉光能并將其轉化為電子運動——這股能量如同“營養劑”般傳遞給附著在半導體上的細菌，使其“活力十足”，開始高效地將二氧化碳轉化為醋酸鹽等有機物。
“這是一片真正意義上的人工生物葉片。”柳佃義說。它不僅具有葉子的的形態，還能像天然葉片一樣吸收陽光、轉化二氧化碳，并且具備真正的生命活力——就像是一座擁有“呼吸”與“代謝”功能的活體“微型工廠”。
“復刻”一片樹葉，需要幾個步驟？
這樣的神奇的樹葉，到底是怎么做出來的？
一起走進柳佃義的實驗室，看看復刻一片樹葉需要幾個步驟。
第一步：給葉片裝上“動力源”
在自然界中，樹葉的神奇之處在于它們能夠通過光合作用將陽光轉化為能量。而這個過程的核心，正是葉綠素。為了讓人工葉片具備光合作用的功能，在實驗室中，柳佃義團隊首先面臨的挑戰，就是找到一種能夠模擬葉綠素的“動力源”。
他們選中了聚合物半導體薄膜，這種材料能夠高效地吸收光并產生電子，堪稱人工葉片的“光捕手”。
為了讓葉片擁有更強的吸光和轉化效率，團隊進一步設計了一種“體異質結”結構。簡單來說，這種結構就像一塊高效的“能量電池”，能在陽光下將電子和帶正電的“空穴”分開，避免能量內部消耗，從而讓葉片持續吸光。
| 生物人工光合系統電子傳遞原理示意圖最終，這片半導體薄膜吸收的光能會轉化成細菌的“養分”，為葉片提供源源不斷的動力。
“其實，仿生光合作用的概念并不新鮮。”柳佃義說，“幾十年前，科學家們就設想用無機材料來完成‘光合作用’，分解水生成氫氣和氧氣。但它們往往缺少真正生物的生命活力，只具備部分光合作用的功能。”
用半導體材料代替葉綠素捕捉光能，用細菌充當“工人”完成“工作”。這種獨特的組合使得人造葉片不僅僅是一個轉化裝置，更成為了一座活體“工廠”。
第二步：讓葉片“活”起來
擁有了光合作用的“動力源”之后，接下來的目標，便是賦予葉片真正的“生命力”——讓葉片不僅能夠吸光，還能“活”起來。
在葉片的“心臟”中，關鍵的部件是一層薄如蟬翼的柔性薄膜，這層薄膜上寄居著許多具備二氧化碳轉化功能的細菌。這些“微小工人”并非天然存在于樹葉中，而是經過精心篩選和特殊設計的“外來細胞工人”。半導體材料負責吸收太陽光，將光能傳遞給細菌，從而大幅提高二氧化碳轉化的效率。
“在這個過程中，細菌就像是‘催化劑’，幫助葉片不斷進行二氧化碳的轉化。”柳佃義形象地解釋道。
要讓這些細菌“住”在葉片上，團隊進行了反復實驗，最終找到合適的附著方式，使細菌在半導體薄膜上“安家”。細菌獲得半導體傳遞的能量后，源源不斷地“吞食”二氧化碳，并將其轉化成有用的有機物。
自此，葉片的“生命力”開始顯現：這個多功能的“微型工廠”，不僅可以自由呼吸，還能不斷地“繁殖擴散”。
第三步：賦予葉片“形態”
有了動力源和生命力后，接下來的一大挑戰，是讓人工葉片具備“形態”。
在過往的研究中，很多人工光合作用系統只是溶液狀態，缺乏樹葉的固態形態。而這次，柳佃義團隊一開始就設定了一個明確的目標：既然叫做“人工樹葉”，那這片葉片不僅要有功能，更要具備葉片的形態和結構。
為了解決這一問題，柳佃義團隊使用了輕質柔性襯底，利用這種柔性、輕質的基底材料，將聚合物半導體薄膜鋪在上面，這樣一來，葉片就可以像水生植物葉片一樣漂浮在水面上。這一設計不僅讓葉片能夠在陽光下吸收二氧化碳，還可以在未來大規模應用，作為綠色碳匯。
此外，團隊還設計了“準固態”人工葉片，通過加入瓊脂等材料，使葉片具備了更高的結構穩定性。這樣，這片葉片不僅在水面上能工作，在陸地環境中也能穩定發揮作用。
通過這一步，人工葉片不僅有了功能，還具備了與天然葉片相似的形態，成為一個完整的系統。
| 具有生命且具有與天然樹葉相同形態和功能的人工樹葉示意圖
第四步：實現“葉片的循環”
擁有了能吸光的“動力源”、能活的細菌、和穩定的形態之后，人工葉片已初具雛形。
而柳佃義團隊所希望的，不僅僅是一個會光合作用的裝置，更是一片真正能參與自然循環的“人工葉片”。
團隊通過實驗發現，這片葉片產生的醋酸鹽不僅可以用于工業原料，還可以進一步用來培養酵母，為食物生產提供養分。這一循環的設計，使人工葉片不再只是一個實驗室產品，而是有可能融入生態系統的“新物種”。
經過這項研究，人工葉片得以在實驗室中實現從碳到食物的完整轉化，初步具備了人工生態系統的功能。
| 產生的醋酸鹽進一步用于培養酵母以生產食品
未來，人工葉片還會走多少步？從材料設計到賦予“生命”，從功能實現到生態循環，做一片葉子看似只需要簡單的“四個步驟”，柳佃義團隊卻耗時四年時間。
因為，這個過程充滿了跨學科的挑戰，涉及生物學、化學、材料科學、工程等多個領域。
翻看西湖大學官網上柳佃義的簡歷，他長期從事光電材料與器件相關領域的研究，此前，對于生物學領域的知識了解十分有限。得益于西湖大學濃厚的學科交叉氛圍，除了翻閱相關文獻資料，研究團隊還可以隨時與生命科學學院的實驗室相互交流、相互學習。
最終，從完全陌生的領域，到一步一步解決問題，材料科學、生物工程、物理化學——這些領域在這片葉子上巧妙地交織，讓人工葉片從構想來到現實。
未來，不同領域的科學家，將能在此基礎上邁出更多步，推動這片葉子走向更廣闊的應用領域。
暢想一下，或許不久的將來，這些“會呼吸”的葉片會漂浮在水面上、覆蓋在建筑頂層，默默地吸收二氧化碳，生成氧氣和有機物，真正成為一座座小小的“綠色工廠”。
如果再想象更遠的未來：當人類向火星等星球進發時，也許這些人工葉片會成為隨行的“旅伴”，利用外星豐富的二氧化碳，為我們帶來氧氣和食物，讓生命在異星環境中延續下去……
一片兩片三四片，期待這些人工生物葉片能實驗室中“放飛”，飄向更廣闊的世界，帶來更多可能。
（來源：西湖大學）
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