【公益行】太阳给地表贴了层“膜”，让光照变成电流

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这听起来不可思议。 因为在普通认识中，只有生物才能进行光合作用。 但是，北京大学地球和空间科学学院鲁安怀团队日前对《美国科学院院刊》的研究表明，自然界的无机矿物可以转换成太阳能系统，地表矿物也有光合作用。

最初，我们自己也无法明确这种新现象、新观点是否能被业界接受。 鲁安怀根据科技日报记者的采访，这次研究使用环境矿物学、半导体物理学和光电化学等交叉学科的研究手段，召集团队倾注了长达18年的心血，在此期间得到了一些国家自然科学基金项目等的资助。

鲁安怀告诉记者，惊人的是，这种现象分布在我们星球多个地形景观的矿物表面，既不是罕见也不是秘密，随处可见。

与植物光合作用有区别

广义的光合作用是指物质吸收太阳光引起物理、化学等反应的过程的狭义的光合作用理论(即古典的光合作用理论)是指生物利用光能，将二氧化碳和水转换成有机物，释放氧的过程，一般是指植物的 矿物是无机物，怎么会发生光合作用呢？ 事实上，明确了在植物把水变成氧的过程中锰簇化合物锰的氧化物(无机物)起着重要的作用。 也就是说，即使从古典的生物光合作用来说明，无机物也与光合作用有很大的相关性，也可以说是生物光合作用的起源。

鲁安怀团队深入系统地观测了中国北方戈壁、沙漠、南方喀斯特和红土等典型地形的岩石/土壤样品，在直接暴露于太阳光的岩石/土壤颗粒体表面普遍复盖着铁锰氧化物矿物膜，其结构和化学成分被包裹的岩石

他们发现这些铁锰氧化物半导体矿物膜可以吸收太阳光转换成光电子。 理论分解表明，矿物膜中的锰氧化物矿物吸收光能后，有催化水产生氧的潜力，可以固定大气中的二氧化碳，但矿物膜能否释放氧还没有得到证实。 我们发现矿物可以转换太阳能，但现在不能与生物的光合作用一一对应。 鲁安怀说。

太阳照射的矿物膜

地表的矿物膜与太阳光有密切的关系，难怪是太阳晒的。

一般来说，日照越强，矿物膜的发育状况越好。 在南北方向山谷两侧的断崖上，沟东侧的矿物膜多比沟西侧的矿物膜发育好。 鲁安怀解释说，因为西方被上午的太阳光照射，东侧被下午的太阳光照射，下午的太阳光更强。 当然，山的阳面矿物膜发育比阴面矿物膜好，高原日光强照射区矿物膜也大多发育好。

矿物膜越发达越黑亮，其中锰含量越高，而且含有丰富的促进其光催化功能的稀土元素铈( ce )。 富锰矿物质只出现在日光照射下的红土矿物粒子、喀斯特和戈壁岩石表面矿物膜，最常见的是半导体性能优良的层状结构的水钠锰矿，光照不到的岩石背面水钠锰矿不丰富。

在世界陆地系统中，浓锰矿物膜的分布正好与太阳光的强辐射区域一致。 这种现象在地球这样的行星表面也发现了，和火星表面一样，发现了存在于露出浓锰丰富矿物膜的岩石表面的证据。

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。 地表矿物膜是地球上分布最广泛的天然太阳能薄膜，在功能上相当于继核、地幔、地壳之后的地球第四大圈层，构成了地球的新圈层。 鲁安怀进一步明确了地球的新圈功能有助于理解地球物质的进化、生命起源的进化、环境进化的宏观过程。

具有稳定的光电转换特性

矿物膜具有良好的日光响应性能，使用它制作的电极在可见光照射下可以产生明显的光电流，光电流的产生主要与铁锰氧化物有关。

鲁安怀向记者介绍，矿物膜在日光照射下产生光电子能量，具有稳定的光电转换特性。 继太阳光子能和元素价电子能之后，发现了地表第三种能量形式的矿物光电子能。 矿物光电子将大气中的二氧化碳比较有效地还原成甲酸和甲烷等小分子有机物，为地球的早期生命起源进化提供基本物质。 年，鲁安怀团队向“自然通信”发表了复印件，明确了微生物利用该光电子的机制。

根据复印件，按照世界日光的平均照射强度计算，1平方米的沙漠岩石涂料每秒能释放22.3兆美元的光诱导的电子。 这些光电子可能是细菌胞外能量的重要来源。 鲁安怀说，地表矿物膜复盖的陆地面积这么大，因此它们的光合作用不容忽视。

专家认为，在自然界中，不同半导体矿物的光电子具有不同的能量，普遍影响地表元素的化合物状态及其地球化学循环途径乃至微生物胞外电子传播。 鲁安怀说，随后他将与小组进一步研究，揭示有关地表矿物膜的秘密。

:费青松审编:chengfang

来源：亚洲公益报