光是地表能量之源，驱动着矿物发生一系列复杂的光物理与光化学过程。在阳光辐射下，矿物不仅表现出反射、折射、偏振等宏观光学特性，还通过光电效应产生电子跃迁、激子传输等微观光物理效应，更通过催化变价元素氧化还原等光化学反应，持续调控着地表圈层的物质转化与能量再分配。这些过程可能为前生命化学演化与早期生命活动提供了关键的能量来源，并持续影响着现代生态系统的能量流动方式。因此，聚焦矿物—光—生物协同作用机制，揭示矿物光能捕获、转化与传递规律，解析矿物光物理与光化学过程对生命元素循环和生命体生长代谢的驱动机制，不仅对理解地球生命起源与演化具有重要科学价值，也为地外生命探测和人工光合系统设计提供理论依据。
1. 矿物光化学
矿物光化学是研究矿物在光照作用下发生的化学反应，在探索行星大气和表面的物理化学过程时不可忽视的重要过程。矿物光化学的研究不仅揭示了光与矿物表面相互作用的微观机制，还为我们理解地球以外环境中生命的起源和行星演化提供了重要的线索。例如，行星表面的半导体矿物在太阳辐射的作用下，会发生光催化反应，这些反应不仅与早期地球生命物质合成[1]、产氧光合作用前氧气的产生[2]密切相关，还可能与现代地表矿物碳泵效应[3]、锰氧化物的成因[4]等相关。矿物光化学的研究不仅限于地球，还对其他行星如火星、金星、土卫六等的表面过程提供了重要的认识[5]。这些研究为寻找行星表面是否曾经具备适宜生命的条件提供了基础，同时也为未来的行星探测任务提供了科学依据。
[1] Science Advances, 6(47), eabc3687 (2020).
[2] Mineralogical Magazine, 85(1), 22-38 (2021).
[3] Geochimica et Cosmochimica Acta, 388, 253-267 (2024).
[4] Chemical Geology, 522, 55-70 (2019).
[5] Chemical Geology, 504, 276-287 (2019).
2. 矿物光物理学
矿物光物理学与半导体矿物学是交叉学科领域，涉及矿物在光照条件下的物理特性及其在电子、光学等方面的应用研究。主要关注矿物在不同波长的光照射下的光学响应，揭示其能带结构、光吸收特性、激发态行为以及光激发下的电荷转移过程。近年来，课题组发展了基于同步辐射硬/软X射线吸收与发射谱技术联用的测试方法，结合非绝热分子动力学模拟，系统建立水钠锰矿、闪锌矿、自然硫、黄铜矿、磁黄铁矿、金红石、黑钨矿等20余种天然半导体矿物晶体结构与其光电/热电催化性能的构效关系[1-5]，不仅推动了光电技术的应用，还加深了我们对矿物在自然生境和科技应用中重要性的理解，尤其在能源转化、环境保护等领域具有广阔的前景。
[1] Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(20), 9741-9746 (2019).
[2] Geochimica et Cosmochimica Acta, 348, 355-368 (2023).
[3] Geochimica et Cosmochimica Acta, 256, 116-134 (2019).
[4] Earth and Space Science, 11(1), e2023EA003022 (2024).
[5] Chemical Geology, 575, 120253 (2021).
3. 矿物信息学
从数据中获得定量科学规律是地球科学未来可持续发展的唯一途径。矿物统计晶体化学与矿物信息学是矿物学和计算科学交叉的前沿研究领域，致力于通过统计学方法和信息技术对矿物的晶体结构、化学组成以及物理性质进行定量分析和建模。旨在从海量、复杂的矿物学数据中提取有价值的信息，以深化对矿物形成、分布和演化规律的理解。这一领域结合了晶体化学的基础理论与现代数据科学，推动了矿物学研究向高通量、大数据分析和智能化方向发展。近年来，课题组在宏观时空尺度上揭示了深地矿物转化[1]与深时矿物演化[2]驱动变价元素循环的定量规律，建立了Artificial Intelligence for Mineral智能数据平台，成功应用于物质基本热力学参数的云计算与铬污染场地靶向修复策略的实时推荐[3]，为数据驱动科学规律发现的新研究范式提供了矿物学思路。
[1] Nature Communications, 14(1), 1815 (2023).
[2] Earth and Planetary Science Letters, 626, 118528 (2024).
[3] Nature Communications, 16, 1975 (2025).
4. 矿物—微生物相互作用
矿物与微生物的深时共演化是地球生命演化的关键因素之一。在地球长期的地质历史中，矿物与微生物通过相互作用、相互影响，共同塑造了地球的环境和生物圈。这一过程涉及微生物与矿物的相互依赖和演化关系，尤其是微生物在矿物的形成、转化和沉积过程中扮演的关键角色，反过来，矿物也影响着微生物的生存环境和生理功能。近年来，课题组发现了硫化物倍频效应促进深海蓝细菌产氧光合作用[1]，证明了地表矿物可以为非光合微生物的生长提供光电子能量新形式[2]、建立了阳光-矿物-微生物-有机质复杂体系中锰—碳耦合转化及菱锰矿沉淀的界面动力学模型[3]、发现了微生物诱导蒙脱石到高岭石的矿物相变[4]。矿物与微生物的深时共演化研究展示了生物与无生命物质之间复杂而深刻的相互作用，推动了地球生态系统的演化与生命的多样性，同时为未来的行星探测任务提供科学依据。
[1] National Science Review, nwaf219, (2025).
[2] Nature communications, 3(1), 768 (2012).
[3] Geochimica et Cosmochimica Acta, 256, 49-65 (2019).
[4] American Mineralogist, 108(10), 1940-1947 (2023).
