芝加哥大學的突破從太陽、二氧化碳和水中創造出甲烷燃料。在過去的兩個世紀裡，人類一直依賴化石燃料作為集中的能源。我們的社會一直在利用這些方便的、能量密集的物質，這些物質是由數億年的光合作用所產生的。然而，這種供應是有限的，而且化石燃料的消耗對地球的氣候產生了巨大的負面影響。

芝加哥大學的六位化學家的一項研究顯示，一種創新的人工光合作用新系統比以前的人工系統產量高一個數量級。上圖是該過程的藝術插圖。

芝加哥大學化學家林文彬說：”許多人沒有意識到的最大挑戰是，即使是大自然也沒有辦法解決我們使用的能源量。他說，甚至光合作用也沒有那麼好。我們將不得不做得比大自然更好，這很可怕。”

“人工光合作用”是科學家正在探索的一個可能的選擇。這需要對植物的系統進行重新加工，以製造我們自己的各種燃料。然而，一片葉子中的化學設備是非常複雜的，而且不那麼容易轉用於我們自己的目的。

現在，芝加哥大學的六位化學家在11月10日發表在《自然·催化》雜誌上的一項研究中提出了一個創新的人工光合作用新系統，其產量比以前的人工系統高一個數量級。與普通光合作用從二氧化碳和水產生碳水化合物不同，人工光合作用可以生產乙醇、甲烷或其他燃料。

儘管在成為你每天為汽車提供燃料的方式之前，它還有很長的路要走，但這種方法給了科學家一個新的探索方向。此外，從短期來看，它可能對其他化學品的生產有幫助。

林說：”這是對現有系統的巨大改進，但同樣重要的是，我們能夠非常清楚地了解這個人工系統在分子水平上是如何工作的，這在以前是沒有過的，”他是芝加哥大學的詹姆斯-弗蘭克化學教授和這項研究的高級作者。

“沒有自然光合作用，我們就不會在這裡。它製造了我們在地球上呼吸的氧氣，它製造了我們吃的食物，”林說。”但是它永遠不會高效到為我們提供燃料來駕駛汽車；所以我們將需要別的東西。”

問題是，光合作用是為了創造碳水化合物，這對我們來說是很好的燃料，但不是我們的汽車，它需要更集中的能量。因此，希望創造化石燃料替代品的研究人員必須重新設計這一過程，以創造能量密度更大的燃料，如乙醇或甲烷。

在自然界中，光合作用是由幾種非常複雜的蛋白質和色素組合而成的。它們吸收水和二氧化碳，將分子分解，並重新排列原子以製造碳水化合物–一長串的氫氧碳化合物。然而，科學家們需要重新設計反應，以產生一種不同的排列方式，只有氫圍繞著一個多汁的碳核心-CH4，也被稱為甲烷。

這種重新設計比聽起來要棘手得多；人們幾十年來一直在修補它，試圖接近大自然的效率。林和他的實驗室團隊認為，他們可以嘗試添加一些迄今為止人工光合作用系統還沒有包括的東西：氨基酸。

該團隊從一種叫做金屬有機框架或MOF的材料開始，這是一類由金屬離子通過有機連接分子固定在一起的化合物。然後，他們將MOF設計成單層，以便為化學反應提供最大的表面積，並將所有東西浸沒在包括鈷化合物在內的溶液中以運送電子。最後，他們在MOF中加入了氨基酸，並進行了實驗，以判斷哪種方法效果最好。

現在，他們能夠對反應的兩個方面進行改進：分解水的過程和向二氧化碳添加電子和質子的過程。在這兩種情況下，氨基酸幫助反應更有效地進行。

然而，即使性能有了明顯的提高，人工光合作用在生產足夠的燃料以達到廣泛使用的目的之前，還有很長的路要走。林說：”在我們現在所處的位置，它將需要擴大許多數量級，以製造足夠數量的甲烷供我們消費。”

這一突破也可以廣泛地應用於其他化學反應，如製造藥物和尼龍的起始材料等，可能非常有用。

林說：”這些基本過程中有許多是相同的。如果你開發出好的化學製品，它們可以被插入許多系統中。”

科學家們利用高級光子源的資源，即位於美國能源部阿貢國家實驗室的同步加速器，來描述這些材料的特性。