如果能把阳光高效喂给微藻，让它们源源不断地生长并产生生物质，我们就有机会利用光合作用打造一种绿色、可持续的能源生产方式。然而，在实际的微藻培养过程中，一个看似简单却长期存在的问题限制了这一技术的发展：阳光难以穿透浓密的藻液，只能停留在表层，导致大部分微藻细胞无法接收阳光。

  美国密歇根州立大学研究团队最近提出了一种全新的材料策略：利用水凝胶光纤，把阳光送进微藻反应器内部，从而显著提升光合作用效率。

  2026年4月24日，相关工作以Improving photosynthesis by scattering hydrogel fiber–enabled volumetric illumination为题发表在PNAS上。论文第一作者为美国密歇根州立大学化工与材料科学系博士生程义杰，以及机械工程系博士生 Mohamed A. Elhabet。通讯作者为密歇根州立大学化工材料系助理教授刘心悦，机械工程系助理教授 Yoichiro Tsurimaki，以及生物系统与农业工程系教授 Yan Liu、Wei Liao。

光纤材料设计：体散射& 折射率匹配

  传统光纤的工作原理是通过全反射将入射光限制在光纤内部传输，这在通信中非常高效，但在微藻培养体系中却并不理想。因为我们真正需要的不是把光传得更远，而是让光从光纤中释放出来，并均匀的分布在藻液的整体空间中。为了解决这一问题，研究团队从材料层面重新设计了光纤结构。首先，团队选用了高含水的聚丙烯醇（PVA）水凝胶作为基体，其折射率（~1.34）与水相藻类培养液高度接近。这种折射率匹配可以显著降低界面反射，使光更容易从光纤内部泄露到周围环境中。在此基础上，研究者进一步在水凝胶中引入了二氧化硅（SiO₂）纳米颗粒。这些颗粒的折射率高于水凝胶基体，能够作为散射中心，将原本沿光纤轴向传播的光不断打散并重新分布到周围空间的各个方向。换句话说，这种材料同时通过两个关键机制：折射率匹配进行界面释放让光更容易从光纤中出来，以及加入纳米颗粒进行体散射让光在空间的各个方向均匀扩散，使得光不再局限于单一传播路径，而是可以在整个培养体系中形成更加均匀的体积照明。进一步的研究还发现，纳米颗粒的尺寸和浓度会显著影响光的分布方式：颗粒过小，散射不足；颗粒过大，则会导致光过早衰减。最终，团队确定了一种材料设计方案，能够在侧向散射与传播深度之间取得平衡。

图一. 水凝胶光纤的设计原理与光散射机制：（A）传统透射光纤主要依赖全反射传输光；（B）水凝胶散射光纤通过折射率匹配与纳米颗粒散射，实现光的侧向释放与体积照明；（C–E）通过调控二氧化硅纳米颗粒含量，可精确调节光的散射与分布特性

水凝胶光纤促进藻类生长

  在材料设计完成后，研究团队搭建了室内微藻(Chlorella sorokiniana)培养体系，系统性验证水凝胶光纤的实际应用效果。在传统培养条件下，随着微藻浓度增加，光会迅速被表层细胞吸收，形成明显的光梯度。藻液表层光过强甚至抑制光合作用，而下层则处于缺光状态。引入水凝胶光纤显著改变这种空间范围内光强差异。实验结果显示光纤可以将光从顶部有效引入，并沿光纤方向侧向释放。散射作用使光在整个培养体积中更加均匀分布。从而，处于深层区域的微藻的光合作用被重新激活。从宏观结果来看，微藻生长曲线明显提升。在高密度培养并且进入光限制阶段后，引入水凝胶光纤的体系仍能持续增长，而对照组则迅速进入平台期。

图二. 通过增强侧向散射并均匀分配光能，水凝胶光纤实现体积照明，进而提升微藻整体生长动力学

真实环境下的持续高效运行

  为了评估水凝胶光纤在实际应用中的可行性，研究团队开展了为期两个月的室外微藻培养实验。在自然光照和真实环境波动条件下，集成水凝胶光纤的反应器始终保持较高的生物质浓度（约 0.8–1.4 g/L），而对照组则逐渐下降至低水平(0.1 g/L)。与此同时，水凝胶光纤展现出优异的长期稳定性：在连续运行过程中，其力学性能和光学性能几乎没有衰减；相比传统玻璃或塑料材料，水凝胶表面具有更强的抗生物污染能力，显著减少了微生物附着，保证了光传输效率。这些结果表明，该材料体系不仅在实验室中有效，更具备在实际环境中长期稳定运行的潜力，为规模化微藻生物制造提供了一条切实可行的技术路径。

图三. 长期室外实验表明水凝胶光纤显著提升微藻的生产率、光合作用效率以及二氧化碳固定速率

  刘心悦课题组专注于软材料的设计与开发。欢迎有感兴趣的博士生申请者联系（有细胞2D/3D培养经验优先）。详情参见课题组主页：https://www.xinyueliu.net/

  原文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2536344123