【导读】近日《自然通讯》期刊发表文章，发现深海热液喷口沉积物蕴藏着精巧的能量转化机制！热液喷口沉积物由规则排列的氢氧化镁纳米晶体构成，形成具有选择性离子通道的复杂网络。当通道表面电荷受吸附离子的影响，可选择性吸引特定离子通过，实现化学势能向电化学能的转化，如同一个天然的“渗透能发电机”。这一发现为地球早期生命起源提供新思路，同时模仿该结构有望设计出用于海水淡化、能源收集和新型电池的高效离子选择性膜，为未来能源技术开辟新道路。生命体能够通过细胞膜选择性地输送离子，从而从离子梯度中获取能量。近年来，科学家们也开始利用这一原理，开发从海洋与河流交汇处的盐度梯度中获取渗透能（Osmotic energy）的技术。无论是生物体内的能量转化，还是人造渗透能发电，都需要精密的纳米结构来实现。
深海热液喷口（Hydrothermal Vent，HV）是海底的一种特殊地貌，由地壳活动形成，喷出的热液富含各种金属离子和化学物质，与周围海水形成剧烈的温度、压力、氧化还原电位和浓度梯度。这些梯度被认为是地球早期生命起源的能量来源之一。
此前，科学家们已经发现深海热液喷口沉积物中存在纳米尺度的孔隙结构，但这些结构的功能以及是否参与能量转化过程尚不清楚。
日本理化学研究所（RIKEN）Ryuhei Nakamura领导的研究团队对采自马里亚纳海沟深海热液喷口的沉积物进行了研究。他们利用同步辐射X射线衍射（Synchrotron X-ray diffraction）、光学显微镜和电化学测量等技术，分析了沉积物的微观结构和能量转化功能。
研究发现，深海热液喷口沉积物中存在着相互连接的纳米孔隙（Nanopore），这些孔隙的表面电荷会随着吸附离子的不同而发生变化。沉积物的主要成分是氢氧化镁（Brucite）纳米晶体，这些晶体以放射状排列，形成毫米尺度的连续通道，使沉积物壁成为一个可以选择性透过离子的膜。
这种独特的纳米结构使深海热液喷口沉积物就像一个微型发电机，能够将化学势梯度转化为电化学能。当沉积物两侧存在离子浓度差时，特定离子会沿着通道定向移动，产生电流。
图2 热液喷口（HV）样品的同步辐射X射线衍射分析研究人员将热液喷口沉积物置于不同浓度的氯化钾（KCl）溶液中，发现其电导率在高浓度时与盐浓度成正比，但在低浓度时却保持不变，表明离子传输行为主要受固体-电解质界面产生的电场调控。
进一步的研究表明，当沉积物吸附了碳酸根离子（CO3²⁻）时，会产生负表面电荷，并在钾离子浓度梯度下产生66 mV的渗透压（Osmotic pressure）。而当沉积物吸附了钙离子（Ca²⁺）时，则会产生正表面电荷，并产生相反极性的渗透压。
科学家们一直认为，地球早期生命的出现需要克服巨大的能量障碍，而深海热液喷口附近的化学势梯度被认为是潜在的能量来源之一，为探索地球早期生命起源提供了新的思路。。这项研究首次证实，深海热液喷口沉积物能够自发地进行能量转化，且其能量转化方式与生物细胞膜上的离子通道非常相似。这表明，地球早期生命或许正是利用了类似的机制，从热液喷口附近的化学势梯度中获取了生存所需的能量。
这项研究也为开发新型能源技术提供了灵感。模仿深海热液喷口沉积物的结构和功能，科学家们有望设计出高效的离子选择性膜，用于海水淡化、能源收集、以及开发新型电池和传感器等领域。
总而言之，这项关于深海热液喷口沉积物的研究，不仅揭示了自然界中一种全新的能量转化机制，也为我们理解生命起源和开发未来能源技术提供了全新的认识。
参考文献：Lee, HE., Okumura, T., Ooka, H. et al. Osmotic energy conversion in serpentinite-hosted deep-sea hydrothermal vents. Nat Commun 15, 8193 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-52332-3
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