北京大學魯安懷教授課題組最新研究發現：在陽光的照射下，那些看似“無轉移”的岩石上其實也發生著能量的轉移。
2019年4月22日，《美國科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，PNAS）在線發表了北京大學地球與空間科學學院魯安懷、李豔和丁竑瑞以及物理學院劉開輝與美國Virginia Tech大學Michael F. Hochella Jr.等合作完成的題為“Photoelectric conversion on Earth’s surface via widespread Fe- and Mn-mineral coatings”（地表鐵錳氧化物礦物膜轉化太陽能光電效應）的研究成果。
地球陸地上有機生物和無機礦物共同暴露在陽光下。眾所周知的是，數十億年來有機生物進化出複雜而精巧的胞內光合作用系統，可將太陽能轉化為生物化學能，這一機制已得到深刻認識與廣泛利用。然而，在自然界尚未觀察到非生物的太陽光收集與利用系統，即暴露在太陽光下地球表面廣泛分佈的天然礦物，其長期受到太陽光輻射的響應機制，一直未被認識與利用。
魯安懷等率先在自然界發現了無機礦物轉化太陽能系統，提出太陽光不僅作用於地表生物發生經典光合作用，也一直作用於地表礦物發生非經典“礦物光合作用”。
他們通過對中國北方戈壁、沙漠以及南方喀斯特和紅壤等典型地貌中岩石/土壤樣品的深入系統觀測分析，發現直接暴露在太陽光下的岩石/土壤顆粒體表面普遍被一層鐵錳（氫氧）氧化物“礦物膜”（mineral coating）所覆蓋。“礦物膜”厚度從數十納米到上百微米不等，其結構構造與化學成分顯著區別於被包覆的岩石或土壤，富含水鈉錳礦、針鐵礦、赤鐵礦等天然半導體礦物，呈現出“膜”狀結構構造特徵。特別地，“礦物膜”產出特徵和發育狀況與日照關係極為密切，如富錳礦物僅在日光照射下的紅壤礦物顆粒、喀斯特和戈壁岩石正面“礦物膜”中出現，常見於半導體性能優良的層狀結構水鈉錳礦，而無光照的岩石背面則不富集水鈉錳礦。在全球陸地系統中，深色富錳“礦物膜”的分佈恰與太陽光的強輻射區域相吻合。
通過行星表面礦物膜進行的光電轉換（來源：phsy.org）
此現象在類地行星表面也有發現，如火星表面同樣發現深色富錳“礦物膜”存在於裸露岩石表面的證據。這一發現還表明，在錳化合物光電轉化性能上，岩石/土壤表面接受太陽光輻射的富錳“礦物膜”與生物光合作用系統PSII光反應釋氧活性中心為錳簇（配）合物，具有異曲同工之妙。
全球陸地地表“礦物膜”分佈與日照輻射強度
研究人員通過應用將微區與原位光電測試手段，直接測定天然“礦物膜”半導體光電效應，獲 得“礦物膜”與基岩高空間分辨率（微米）光電流信號面分布結果。研究還發現富鐵錳“礦物膜”區域表現出顯著的光電流信號，而無鐵錳元素富集的基岩不產生光電流響應，這揭示出天然“礦物膜”具有穩定、靈敏的日光光子—光電子轉換能力，獲得其在一定波長下具有恆定光電轉化效率（IPCE）的新認識，證實地球陸地上無機礦物也是太陽光能量吸收與轉化的一類重要物質。
在陽光普照的大地上，到處都存在這種具有日光光電轉化半導體效應的“礦物膜”，是地球上分佈最廣的太陽能薄膜“新圈層”。“新圈層”承載了吸收轉化太陽能並驅動元素地球化學循環、地球物質演化與地球環境演變等重要功能。
類似人工太陽能薄膜功能的地表天然“礦物膜”構成了地球“新圈層”
這一發現拓展了經典光合作用模型，在自然界已知的太陽光子和元素價電子兩種基本能量形式基礎上，提出了礦物光電子是地表普遍存在的第三種能量形式。
這一發現也拓展了我們對自然界太陽能利用途徑的新認識，同時，對研究光合作用系統的起源和人工光合作用提供了新的視角，對太陽系中類地行星表面無機礦物轉化利用太陽能並改造行星表面環境也具有借鑑意義。
延伸閱讀：對“PNAS發表礦物轉化太陽能”工作的評述
中國科學院光生物學重點實驗室主任 林榮呈 研究員
地球生命的起源、進化與環境的變遷、演化過程均依賴能量的獲取與轉化。在以往有關地表物質能量獲取方式的認知中，光合作用被譽為地球上規模最大、最重要的能量轉化反應。光合作用是植物、藻類和光養微生物吸收利用光能將水和二氧化碳轉變為有機物和氧氣的過程，維持了地球二氧化碳和氧氣的循環，同時，幾乎為所有的異養有機體直接或間接提供能量。那麼自然界是否還普遍存在著其它類型的太陽能收集和利用系統？這個問題似乎鮮有被提及和關注。
2019年4月22日，北京大學魯安懷及其合作者在《美國科學院院刊》發表了最新的研究結果，率先報道了自然界無機礦物轉化太陽能系統。揭示出太陽光也一直作用於地表礦物產生能量的吸收與轉化現象而發生非經典光合作用。他們發現直接暴露在太陽光下的岩石/土壤顆粒體表面普遍被一層薄薄的、厚度僅為數十納米到上百微米不等的“礦物膜”所覆蓋。“礦物膜”的結構構造與化學成分顯著區別於被包覆的岩石或土壤顆粒，富含水鈉錳礦、針鐵礦、赤鐵礦等天然半導體礦物。這些“礦物膜”具有明顯的可見光光電響應和穩定、靈敏的光電轉換能力。特別是，“礦物膜”由富含鐵錳（氫氧）氧化物構成並具片層狀的空間結構，這與植物葉綠體的類囊體片狀垛疊結構構型具有異曲同工之妙。光合作用的光化學反應發生在類囊體膜上具有精巧空間結構的多個色素—蛋白複合體上，光系統II和光系統I的反應中心在自然光能驅動下發生電荷分離，通過一系列電子載體進行有序高效地電子傳遞，從而將光能轉化為化學能。而“礦物膜”在太陽光能驅動下會激發產生光電子—空穴對，自然環境中低價態離子與還原性有機質如腐殖質等物質可有效捕獲光空穴，分離出光電子繼而發生一系列的電子傳遞過程，同樣完成光能到化學能的轉化。有意思的是，在光合作用系統與“礦物膜”的光化學反應中，均離不開金屬元素鐵錳的參與。在光合作用過程中，水的裂解和氧氣釋放發生在光系統II富含錳的蛋白複合體上，而鐵氧還蛋白是光合電子傳遞鏈中非常重要的成員。該研究發現的岩石表面在模擬日光照射下產生顯著的光電轉化信號，恰與“礦物膜”中富集錳或鐵元素的區域相吻合。
此項發現大大拓展了我們對自然界太陽能利用途徑的新認識，即天然無機礦物也存在與有機光合作用相當的太陽能轉化利用系統，同時，對研究光合作用系統的起源和人工光合作用提供了新的視角。
來源：北京大學科研部、北京大學地球與空間科學學院魯安懷課題組
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