普渡生物物理学家尤利娅·普什卡(Yulia Pushkar)正在努力破译光合作用，以开启人工光合作用作为可靠、清洁能源的可能性。学分:普渡大学/丽贝卡·麦克霍人类可以做很多植物做不到的事情。我们可以四处走动，我们可以交谈，我们可以听到、看到和触摸。但是植物比人类有一个主要优势:它们可以直接从太阳中制造能量。将阳光直接转化为可用能量的过程——称为光合作用——可能很快就会成为一项人类能够模仿的壮举，将太阳能转化为清洁、可储存、高效的燃料。如果是这样的话，它可能会开启一个全新的清洁能源领域。足够的能量在一小时内以阳光的形式照射到地球上，满足人类文明一整年的能源需求。
生物物理学家、普渡大学科学学院物理学教授尤利娅·普斯卡什可能有办法通过模仿植物来利用这种能量。
光伏电池利用的风能和太阳能是两种主要的清洁能源。增加第三种——合成光合作用——将极大地改变可再生能源的面貌。不需要笨重的电池就能轻松储存能量，这将极大地提高人类清洁高效地为社会提供动力的能力。
就环境影响和复杂因素而言，风力涡轮机和光伏发电都有缺点。普什卡希望人工光合作用能够绕过这些陷阱。
普什卡说:“我们和世界各地的其他研究人员正在努力工作，试图开发出可利用的能源。“我们可以用无毒、易得的元素创造清洁和可持续的能源。我们的人工光合作用是前进的方向。”
光合作用是一个复杂的舞蹈过程，植物借此将阳光和水分子转化为葡萄糖形式的可用能量。为此，他们使用一种色素，通常是著名的叶绿素，以及蛋白质、酶和金属。
人类目前最接近人工光合作用的过程是光伏技术，即太阳能电池将太阳能转化为电能。众所周知，这个过程效率很低，只能捕获大约20%的太阳能。另一方面，光合作用效率更高；它能够将60%的太阳能作为化学能储存在相关的生物分子中。
简单的光伏电池——太阳能电池板——的效率受到半导体吸收光能的能力和电池产生电能的能力的限制。科学家可以通过合成光合作用超越这个极限。
“人工光合作用没有基本的物理限制，”普什卡说。“你可以非常容易地想象出一个效率为60%的系统，因为我们已经有了自然光合作用的先例。如果我们雄心勃勃，我们甚至可以设想一个效率高达80%的系统。
“光合作用在分解水方面非常高效，这是人工光合作用的第一步。植物中的光系统ⅱ蛋白质每秒钟做一千次。眨眨眼，就搞定了。”
Pushkar的团队正在模仿这一过程，构建她自己的人造叶子类似物，收集光并分裂水分子产生氢。氢可以通过燃料电池单独用作燃料，也可以添加到天然气等其他燃料中，或者内置于燃料电池中，为从汽车到住宅再到小型电子设备、实验室和医院的一切提供动力。她的最新发现，对水分子在光合作用中分裂方式的洞察，最近发表在《化学催化》(细胞出版社)杂志上。
普什卡实验室的科学家用天然光系统ⅱ蛋白和合成催化剂组合进行实验，试图了解什么最有效——以及为什么。她还优先考虑使用地球上容易获得且对地球无毒的化合物和化学物质。
然而，人工光合作用的进展是复杂的，因为光合作用是多方面的，这一事实被世界各地的生物化学学生所哀叹。
“反应非常复杂，”普什卡说。"分解水分子的化学过程极其复杂和困难."
自20世纪70年代以来，科学家们一直在研究人工光合作用。那是一段很长的时间，但当你记得光合作用花了数百万年才进化出来的时候就不会了。不仅如此，科学家们认为，与飞行、通信或智能不同，光合作用只进化了一次——大约30亿年前，距离地球的存在只有大约15亿年。
Pushkar认为，在未来10-15年内，已经取得了足够的进展，商业人工光合作用系统可能会开始上线。她的研究由国家科学基金会资助。
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