Lilac Amirav 正在努力尝试做大自然在过去 30 亿年里毫不费力地做的事情。她和 Helios 项目的 30 名同事正在尝试制造微型机器，以重新创建光合作用——绿色植物吸收阳光和二氧化碳并产生能量的过程。在叶子中，这种反应的产物是糖分子，它是一种生物电池：植物所要做的就是打破糖的化学键，释放出维持自身所需的能量。Amirav 的目标是调整这一过程，以更好地适应到 2050 年预计将达到 90 亿的世界人口的能源需求，其中不断增长的比例将想要驾驶自己的汽车。她和她在 Helios 的同事——U.C. Berkeley 和 Lawrence Berkeley 国家实验室的联合项目——希望制造一个人造叶子，能够滴出乙醇或其他一些酒精，你可以直接泵入汽车油箱。
新能源技术的需求从未如此之大。随着消费的增长、石油供应的紧张以及世界正处于变暖的趋势中，人们正在寻找更好的能源——清洁煤炭、安全核反应堆以及诸如人工光合作用等更具深远意义的想法。汽车构成了一个特殊的问题，因为它们需要一种能够产生集中能量的便携式能源，而阳光不具备这种特性。但现状是不可接受的。排气管排放物占世界二氧化碳排放量的 20% 左右；经济复苏很容易导致每桶 140 美元油价的回归。
Helios 的科学家们——以及全球越来越多的实验室都在从事相关工作——可以改变这些计算。光合作用消耗二氧化碳。如果我们能够从空气中提取碳，并用它来让汽车摆脱对化石燃料的依赖，这将大大有助于减少人类温室气体的产生，而不会阻碍技术进步。
自 Melvin Calvin 阐明植物将阳光转化为糖的化学步骤（为此他获得了 1961 年诺贝尔化学奖）以来，利用太阳制造液体燃料的想法就一直在流传。他曾公开表示，是否可以将这种化学过程调整为生产汽车燃料，但没有人给这个想法很高的优先级。那时碳不被视为污染物，化石燃料似乎取之不尽，而且许多人坚信核能将兑现其“过于便宜而无需计量”的电力承诺。20 世纪 70 年代的两次石油危机使发达国家陷入困境，但在 20 世纪 80 年代，自满情绪重新抬头。
Paul Alivisatos 在那个时候是一位年轻的化学家，和他的许多同代科学家一样，他倾向于光伏技术，也就是将阳光转化为电力的面板背后的技术。他乐观地认为，纳米技术——在分子尺度上控制物质——很快就会让物理学家以前所未有的方式控制光伏电池中使用的半导体材料。然后，在 20 世纪 80 年代末，他偶然被要求审阅一些关于光合作用的基础研究。“我惊讶于我们对它的了解如此之少，”他说。当他在 20 世纪 90 年代深入研究这个课题时，他有了一种顿悟。“叶子中发生的所有真正有趣的事情都发生在纳米尺度上，”他说。叶子是一种纳米机器。
Alivisatos 认为，也许纳米技术的技巧可以派上用场来制造更好的叶子。他在过去的十年里花了大量时间探索这个想法，并最终成为 Helios 的联合主任。他探索的技术包括以精妙的方式生长半导体材料的晶体——氧化锰、氧化钴、硅以及许多其他元素的氧化物——这些晶体能够执行光合作用的第一个关键任务：吸收光并位移电子。电子为下一步提供能量，引发将一种化学物质转化为另一种的反应。Helios 已经尝试将水转化为氧气和氢气，这可以用于燃料电池。最终目标是将二氧化碳转化为氧气和酒精。
这两项任务都已经通过实验室完成。Helios 现在正在努力寻找一种可以扩大到工业规模的方法。这意味着要找到廉价而高效的材料来完成这项工作。
Feng Jiao 是致力于这项任务的几位充满决心的年轻研究人员之一。他在实验室里处理的东西看起来不过是一个装有一半橙色液体的烧杯。但这种氧化钴溶液可能是寻找高效光合催化剂的一个重大进步。大自然使用类似的化合物，氧化锰，将二氧化碳转化为糖，但这个过程很脆弱：分子在大约半小时后就会失效，整个循环就会停止，直到新的分子通过叶子细胞循环。植物可以承受这种悠闲，但人造叶子必须做得更好。最近，Jiao 找到了一种生长氧化钴棒的方法，每根棒长 30 到 40 纳米，它们像曼哈顿下城的建筑一样聚集在一起。当他用光照射装有这些棒的烧杯时，几分钟后，微小的氧气气泡会冒到表面。这些棒吸收光，释放电子，并引发一连串反应，最终使烧杯中的水释放出所需的氧气。
根据 Jiao 的测量，这些棒可以产生大量氢离子和氧气，持续数小时，甚至可能更长，持续数周甚至数月。然后，将其嵌入一个能够将成分分开的膜中，以便收集并转化为甲醇燃料。
Jiao 的棒簇绝不是人造光合作用的最终成果。Helios 的科学家们仍在研究其他材料和形式。Amirav 用她正在测试的化合物制造“各种疯狂的形状”。最近，她在修改 Jiao 正在开发的棒方面取得了成功。她会取一小块材料，在其周围生长由另一种材料制成的棒，然后在其中一端附上由第三种材料制成的另一个球。这就是目前的游戏规则：不断调整， all in the hope of finding the right technology for harvesting sunlight and replacing fossil fuels. (希望找到收集阳光和取代化石燃料的正确技术)
Helios 团队不会制造任何类似于绿色叶子的东西。首先，绿色叶子在利用阳光方面太浪费了，因为它不能吸收所有颜色的阳光。Helios 的叶子将是薄薄的黑色。有一天，这种材料可以铺在数千平方英里的乡村上。在阳光下，黑色的膜会“出汗”甲醇，甲醇会流入管道，流入储罐，然后进入管道或油轮。Alivisatos 说：“如果四分之一的农田——大约 6000 万英亩——用于能源，我们需要 1% 的效率来满足美国所有的交通燃料需求。”那将占用大量土地，但效率为 30% 的人造叶子——Alivisatos 认为这是可以实现的——将把需求降低到仅占所有农田的 1%。
我们还有很长的路要走。但从 Helios 的进展来看，黑色可能就是新的绿色。
