问答：想要用碳水化合物为世界提供动力的工程师

你可能喜欢碳水化合物，但可能不像珀西瓦尔·张那样喜欢。张是弗吉尼亚理工大学的一名化学工程师，他经营着一个致力于将碳水化合物转化为电能的实验室。该实验室的发明包括概念验证，表明碳水化合物能够为从手机到汽车的所有设备提供动力。

“我个人认为，碳水化合物是储存能量的最佳化合物之一，”他说。“大自然已经选择了它。”他的意思是，包括人类在内的生物在需要能量呼吸、进食和做所有生物体会做的事情时，会分解碳水化合物分子。另一方面，人类的大多数发明都依赖于分解碳氢化合物分子所产生的能量，而碳氢化合物存在于煤炭、天然气和原油中。

就在上周，张和他的同事推出了一款原型电池，该电池使用麦芽糊精（一种经常出现在加工食品中的碳水化合物）作为产生电能的电子来源。其他实验室以前也制造过基于碳水化合物的电池，但张实验室的模型提取了大量电子，从而使电池的使用寿命更长。这种电池至少还需要几年时间才能投入市场，但如果这种技术在未来确实可行，它的制造商希望它能成为智能手机和其他小型设备电池的环保替代品。

继续阅读，了解这种电池和其他电池的工作原理，并一窥碳水化合物的未来。请注意：张先生倾向于将所有碳水化合物称为“糖”，它们确实是糖，但他并不一定是指你放入茶里的那些东西。

科普：跟我讲讲你制作的这种以糖为基础的电池吧。

YH Percival Zhang：基本想法是，我们想使用糖，因为糖是最可再生的碳化合物。

糖虽然很好，但我们能提取其所有能量并将其转化为电能吗？我们设计了一种特殊的酶途径，因此，我们首次可以从每个葡萄糖分子中提取 24 个电子并将其转化为电能。然后，我们就可以利用这些电能为便携式设备供电。

PS：您还研究过利用碳水化合物制造电动汽车的燃料电池和内燃机的生物燃料。您能用酶做到这一切吗？

YZ：是的，大多数时候，我们在研究中使用酶。我们使用酶来模拟微生物产生能量的反应，但是当你只使用酶时，你会将许多酶组合在一起，形成一种自然界中不存在的途径，这样你就能比微生物做得更好。我们做了很多微生物无法做的反应。

例如，在这个糖电池案例中，我们使用酶来提取所有的能量。如果你试图使用微生物，微生物会自我复制，浪费大量能量。它不会像我们现在这样产生那么多电能。

PS：你们使用的酶是自然界中存在的酶吗，还是利用合成生物学自己设计的酶？

**YZ：**目前，我们使用来自天然生物的酶。下一步，我们将设计酶。这样效果会更好。

PS：如果我们拥有将碳水化合物转化为电能和将电能转化为碳水化合物的技术，我们还能做什么呢？

**YZ：**太阳能和风能最大的问题是如何储存它们。所以我们的想法是，当你有这么多电的时候，我们可以尝试生产糖，因为糖是一种化合物。你可以长期储存糖。当你需要电的时候，你可以通过糖电池将糖转化为电能。

关于储存太阳能和风能，目前有太多相互竞争的想法。我个人认为，碳水化合物是储存能量的最佳化合物之一，因为大自然已经选择了它。

PS：你们研发的这三种产品（小型设备电池、电动汽车氢燃料电池以及生物燃料）中，你认为哪一种会率先进入市场？

YZ：我认为糖电池会首先进入市场。原因是糖电池是一种高端产品。你可以以高价出售糖电池。想想你手表的电池价格。它的价格比 AA 电池高出 100 倍。但你很少购买，所以你不在乎。

氢燃料电池汽车还需要很长时间才能实现，因为你将与现有的汽车系统竞争。客户会关心价格。但这正是革命所在。

PS：您建议如何确保世界有足够的碳水化合物来满足所有这些电池和汽车的需求？碳水化合物来自植物，而植物会占用土地和水。难道人们不会过度消耗这些资源吗？

**YZ：**我们需要思考如何以一种非自然的方式来生产更多的碳水化合物：人工光合作用。

我们的想法是，所有事情都在生物反应器里完成。无需植物，无需土地。我们使用有限的水和二氧化碳。

我们仍在完成这一概念验证。我们设计了一条酶途径，但我们需要看看它是否有效。