6月，美国能源部发布了一则看似相当平常的公告——今年拨出1亿美元，用于资助22个新的能源前沿研究中心（EFRC）并为其他一些中心续拨资金。其中之一是普林斯顿大学新建的一所实验室，计划在四年内获得近1100万美元。
然而，深入来看，这则公告标志着一个项目的启动，而这个项目可能具有革命性意义。
一群杰出的科学家携手合作，试图解答当前尚无法解决的能源与环境科学问题。如果团队成功，他们将找到一种利用植物和工业废弃物为世界提供能源的方法，使我们摆脱对污染性化石燃料的依赖。他们还将在此过程中开创一个全新的科学分支。
如果团队成功，他们将找到一种利用植物和工业废弃物为世界提供能源的方法。
这一科学领域称为仿生光能升级化学（BioLEC）。它的目标是弄清楚如何利用两个光子的能量——光最微小的可量化单位——来驱动化学反应。
从理论上看，这似乎很简单——事实上，植物在光合作用中一直都在这样做。但BioLEC比用手电筒照试管复杂得多。科学家们为此已经努力了很长时间，但迄今为止，在实验室重现这种化学反应仍被证明是不可能的。不过现在，研究人员有了一种特殊仪器，或许能让他们在受控的实验室环境中，实现植物自然而然就能进行的反应。
先从一种植物来源的有机分子开始。比如糖或酒精——任何含有碳原子链，并与氧原子和氢原子（OH）相连的分子都可以。这类分子非常丰富，因此找到一种应该不难。正如任何上过有机化学课的人都能告诉你的，这些分子中连接碳原子的键最难断开——与其动碳链，你几乎更容易断开任何其他原子键。
但如果我们能找到办法在其中加入一个额外的光子呢？那些碳碳键就会变得脆弱得多。
如果我们能断开这些键，就可以制造喷气燃料——这种分子主要由碳构成。从理论上说，把酒精转化成燃料似乎很简单：只要以某种方式把碳原子连接起来，再将氧原子以纯水的形式去除即可。
科学家早已知道如何利用单个光子的能量打断部分碳键。但要制造喷气燃料，他们需要加入第二个光子的能量，才能打断所有这些键。即便使用我们目前最先进的科学工具，这仍然太难实现。
之所以如此困难，部分原因在于光必须精准地照射到催化剂上——催化剂是一种不会融入化学反应、但能促进并促成整个过程的分子。这意味着必须在恰当时刻，向某个小到肉眼看不见的物体的恰当部位，加入极其精确的能量。事实上，这需要极高的精确度，以至于至今无人能做到。
“关键在于，现有化学方法无法作用于稳定的化学键，”Gregory Scholes这位普林斯顿大学化学家兼BioLEC项目主任在接受Futurism采访时说。“一旦你能够作用于这些键并改变它们，就能得到活性分子。”也就是说，这种分子可以被某个系统（无论是植物还是飞机）用作能源。
想象一下，把酒精分子比作两本崭新的书。你很希望它们合在一起，变成一部巨著（听起来确实有点怪，但这就是喷气燃料）。你清楚自己想怎样排列书页，也知道如何拆掉书上的塑料包装（那就是氧原子和氢原子）。这都没问题。但你不知道如何拆掉书上结实的装订。没有这关键的一步，你就无法做成那本你（奇怪地）一直期待着的巨书。
BioLEC就是能够拆开这种装订的化学方法。如果它奏效，一个全新的化学领域便会即刻成为可能。
这种化学方法将使我们能够利用自然界中已经十分丰富的物质制造可用的喷气燃料（而且不必费尽心思从地下开采）。这意味着可以用光照射甘蔗，生产廉价而充足的清洁能源。我们或许还可以运用Scholes及其团队希望开发的技术，分解工业设施的副产品和其他废弃物。这不仅能大幅减少整个制造业造成的污染——工业废弃物还能转化为清洁、可生物降解的化合物，甚至燃料。廉价原材料的充足供应也会降低能源成本。不过，这种做法无法消除这些燃料在燃烧时产生的碳排放。
“我们认为这项研究会成功，因为自然界在光合作用中运用了类似原理，”Scholes说。“虽然我们并未直接照搬自然界的做法，但自然界提供了原理可行的证明。”
“我们认为这项研究会成功，因为自然界在光合作用中运用了类似原理。”
从逻辑上说，这应该不难。“听起来好像很简单：‘哦，吸收两次光就行了，’”Scholes说。但当然，事情并非如此。“这要困难得多。我们有各种各样的策略，这就是为什么需要各种各样的人才。”
为了解决这个棘手问题，化学、工程学和高能物理等不同领域的专家首次携手合作。在普林斯顿大学，Scholes与其他能源相关项目研究机构的团队负责人一样，其他研究机构也需要召集过去很少合作的不同领域科学家。Scholes说，他们有些人的研究相距甚远，几乎是在讲不同的语言。然而，他们必须齐心协力，才能取得任何一个人单凭自身都不可能实现的新发现。
不过，Scholes和他的团队有一件秘密武器：激光电子加速器设施（LEAF）。该设施位于布鲁克海文国家实验室。该实验室与普林斯顿大学合作。LEAF是美国仅有的两处能够开展脉冲辐解技术的设施之一，这项技术或许能彻底打开碳键乃至这一新化学领域的大门。
脉冲辐解基本上就像用放大镜聚集阳光来烧蚂蚁。只不过这里用的不是阳光，而是一束极强的电子；研究对象也不是蚂蚁，而是肉眼看不见的分子。LEAF将强劲而持续时间极短的电子脉冲射入待研究的分子中。这些电子束与分子碰撞并使其获得能量，从而触发化学反应，打断并形成分子中原子之间的新键，而且这些键能量很高。
BioLEC团队通过在极短的时间尺度上研究这些反应（短至十亿分之一秒），能够观察反应中不同的中间步骤：分子在响应所加能量时呈现的各种结构和形态。Matthew Bird是一位在布鲁克海文国家实验室工作的化学家，也在LEAF工作；他通过电子邮件向Futurism解释了这一点。
这将帮助BioLEC研究人员准确了解能量作用于催化剂时发生的情况，从而在实验室中更有效地引发这些反应。
这是一项艰巨的任务。在如此早期的阶段，我们无法确定Scholes和他的团队能否在短短四年内实现所有目标。但他乐观地认为他们能够做到。毕竟，相关基础科学已经存在。如果一大群笨头笨脑的植物都能弄明白如何吸收第二个光子，我们为什么不能？
“说真的，想到我们可能取得的成果，以及能召集同事和其他人共同完成这件事，令人无比兴奋，”Scholes说。“令我兴奋的是，沿途将会产生一些真正影响深远的科学成果。这不是渐进式的工作。”
