一項(xiàng) 15年前的發(fā)現(xiàn)終于得以應(yīng)用。

近日，一個(gè)來自美國馬薩諸塞大學(xué)阿姆赫斯特分校(University of Massachusetts, Amherst)電氣與計(jì)算機(jī)工程系、微生物學(xué)系、化學(xué)系、應(yīng)用生命科學(xué)研究所及生物化學(xué)與分子生物學(xué)系的研究團(tuán)隊(duì)研制出了一種名為“Air-gen”的「空氣發(fā)電機(jī)」。

雷鋒網(wǎng)(公眾號(hào)：雷鋒網(wǎng))了解到，這種裝置通過一種由細(xì)菌產(chǎn)生的天然蛋白質(zhì)，利用空氣中的水分即可成功發(fā)電，對(duì)可再生能源、氣候變化及醫(yī)學(xué)都可能產(chǎn)生重大影響。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間 2020年 2月 17日，《自然》雜志(Nature)刊登了該研究團(tuán)隊(duì)名為《利用蛋白質(zhì)納米線在濕潤的環(huán)境中發(fā)電》(Power generation from ambient humidity using protein nanowires)的論文。

從地桿菌中收獲蛋白質(zhì)納米線

眾所周知，目前常見的一些發(fā)電技術(shù)——例如太陽能電池、熱電裝置和機(jī)械發(fā)電機(jī)——對(duì)環(huán)境有一定的要求，其實(shí)這也就限制了它們持續(xù)發(fā)電的潛力。

與此同時(shí)，雖然基于空氣中水分的發(fā)電技術(shù)為我們提供了一個(gè)新思路，但由于缺乏持續(xù)的轉(zhuǎn)換機(jī)制，這種技術(shù)也只能產(chǎn)生間歇性的能量爆發(fā)，每次不超過 50秒。

基于此，上述研究團(tuán)隊(duì)從硫還原地桿菌(Geobacter sulfurreducens)中收獲了蛋白質(zhì)納米線。

所謂地桿菌，即地桿菌科細(xì)菌，是一種非常重要的異化 Fe(Ⅲ)還原菌，廣泛分布于Fe(Ⅲ)還原環(huán)境，比如淡水沉積物、有機(jī)物或重金屬污染的地下水沉積層等，具有重要的生物修復(fù)功能。

雷鋒網(wǎng)了解到，15年前，該論文主要作者之一、微生物學(xué)家 Derek Lovley 發(fā)現(xiàn)，地桿菌能將電子從有機(jī)物質(zhì)中轉(zhuǎn)移到鐵氧化物等金屬類化合物中。實(shí)際上，許多細(xì)菌均可制造出蛋白質(zhì)納米線，將電子傳遞給其他細(xì)菌或其所處的環(huán)境中，也正是這樣的電子轉(zhuǎn)移形成了微小電流——可以說這一發(fā)現(xiàn)為研發(fā)Air-gen奠定了基礎(chǔ)。

根據(jù)論文介紹，研究團(tuán)隊(duì)把從地桿菌中收獲的蛋白質(zhì)納米線制成了薄膜裝置 Air-gen，周圍環(huán)境中便產(chǎn)生了連續(xù)的電力——在 7 微米厚的薄膜上產(chǎn)生約 0.5 伏的持續(xù)電壓，電流密度約為每平方厘米 17 微安。若將多個(gè)薄膜裝置連接起來，線性地放大電壓和電流，即可向電子設(shè)備供電。

具體來講，蛋白質(zhì)納米線薄膜的底部位于電極上，而僅覆蓋部分納米線薄膜的較小電極位于頂部。在兩個(gè)電極間建立產(chǎn)生電流的條件的，正是與膜內(nèi)納米線之間的細(xì)孔耦合的蛋白質(zhì)納米線的電導(dǎo)率及化學(xué)性質(zhì)。

下圖是蛋白質(zhì)納米線裝置的透射電子顯微鏡圖像及其結(jié)構(gòu)圖。

空氣濕度為 45%時(shí)效果最佳

2018 年，該研究團(tuán)隊(duì)成員 Liu Xiaomeng發(fā)現(xiàn)，有時(shí)孤立的納米線會(huì)自發(fā)產(chǎn)生電流。后來，Liu Xiaomeng及其導(dǎo)師 Yao Jun(論文另一主要作者)共同發(fā)現(xiàn)，當(dāng)納米線薄膜夾在兩塊充當(dāng)電極的金薄片之間，可持續(xù)產(chǎn)生至少 20 小時(shí)的電流。

隨后，他們經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們把納米線放在一個(gè)濕度很低的環(huán)境中時(shí)，電流會(huì)顯著減小。因此這說明：空氣濕度促成了電子的釋放。于是，研究團(tuán)隊(duì)將這一發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于 Air-gen的研制中——其發(fā)電過程的驅(qū)動(dòng)力正是薄膜暴露在空氣中時(shí)膜內(nèi)自然形成的濕度的梯度變化。

下圖記錄了裝置連續(xù)發(fā)電超過兩個(gè)月(1500小時(shí))的電壓(黑色曲線)和環(huán)境相對(duì)濕度(藍(lán)色曲線)。

值得一提的是，研究表明：當(dāng)空氣濕度為 45% 時(shí)，Air-gen發(fā)電可以達(dá)到最好的效果。

如下圖所示，相對(duì)濕度約為 45%時(shí)，在裝置頂部覆蓋保鮮膜，其連續(xù)電流輸出將會(huì)被中斷(黑色箭頭)，并將持續(xù)此狀態(tài)(灰色區(qū)域)直至保鮮膜被移除。而在保鮮膜被移除那一刻，電流大小會(huì)返回到原始值(藍(lán)色箭頭)。

同時(shí)，這項(xiàng)新技術(shù)無污染、可再生、成本低，可以在諸如撒哈拉沙漠等濕度極低的地區(qū)發(fā)電，甚至可以在室內(nèi)工作。論文作者之一 Jun Yao也提到：

我們實(shí)際上是在利用稀薄的空氣發(fā)電，Air-gen可以 24 小時(shí)不間斷地生產(chǎn)清潔能源。這是蛋白質(zhì)納米線迄今為止最驚人、最令人興奮的應(yīng)用。

開啟基于蛋白質(zhì)的電子設(shè)備新時(shí)代

此外，研究人員表示，目前這一代的 Air-gen 設(shè)備能夠?yàn)樾⌒碗娮釉O(shè)備提供動(dòng)力，他們希望這項(xiàng)發(fā)明能很快投入商用。他們下一步計(jì)劃開發(fā)一個(gè)小型 Air-gen“貼片”，為健康和健身監(jiān)測器、智能手表等電子可穿戴設(shè)備供電，減少其對(duì)傳統(tǒng)電池的需求。他們還希望將 Air-gen 應(yīng)用于手機(jī)，用戶可以免去定期充電的麻煩。

不過，該團(tuán)隊(duì)最終的目標(biāo)是制造大規(guī)模系統(tǒng)。Jun Yao 表示：

比如把Air-gen納入墻壁涂料支持家庭供電，或者開發(fā)獨(dú)立的空氣動(dòng)力發(fā)電機(jī)，為電網(wǎng)供電。一旦我們的線材生產(chǎn)達(dá)到工業(yè)規(guī)模，我希望我們制造出能為可持續(xù)能源生產(chǎn)做出重大貢獻(xiàn)的大型系統(tǒng)。

與此同時(shí)，為繼續(xù)推進(jìn)地桿菌的實(shí)際應(yīng)用能力，Derek Lovley及其團(tuán)隊(duì)最近還開發(fā)了一種新的微生物菌株，可以更快、更便宜地大量生產(chǎn)蛋白質(zhì)納米線：

我們把大腸桿菌變成了蛋白質(zhì)納米線工廠，有了這種新的可伸縮工藝，蛋白質(zhì)納米線供應(yīng)將不再是瓶頸。

正如上文所述，研究團(tuán)隊(duì)成員背景各不相同，因此這無疑是一次不同尋常的跨學(xué)科合作，在制造新能源的方向上邁進(jìn)了重要一步。不過，正如 Jun Yao所言：

這只是基于蛋白質(zhì)的電子設(shè)備新時(shí)代的開始。

關(guān)鍵詞： 空氣發(fā)動(dòng)機(jī)

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