一項 15年前的發現終于得以應用。
近日，一個來自美國馬薩諸塞大學阿姆赫斯特分校(University of Massachusetts, Amherst)電氣與計算機工程系、微生物學系、化學系、應用生命科學研究所及生物化學與分子生物學系的研究團隊研制出了一種名為“Air-gen”的「空氣發電機」。
雷鋒網(公眾號：雷鋒網)了解到，這種裝置通過一種由細菌產生的天然蛋白質，利用空氣中的水分即可成功發電，對可再生能源、氣候變化及醫學都可能產生重大影響。
當地時間 2020年 2月 17日，《自然》雜志(Nature)刊登了該研究團隊名為《利用蛋白質納米線在濕潤的環境中發電》(Power generation from ambient humidity using protein nanowires)的論文。
從地桿菌中收獲蛋白質納米線
眾所周知，目前常見的一些發電技術——例如太陽能電池、熱電裝置和機械發電機——對環境有一定的要求，其實這也就限制了它們持續發電的潛力。
與此同時，雖然基于空氣中水分的發電技術為我們提供了一個新思路，但由于缺乏持續的轉換機制，這種技術也只能產生間歇性的能量爆發，每次不超過 50秒。
基于此，上述研究團隊從硫還原地桿菌(Geobacter sulfurreducens)中收獲了蛋白質納米線。
所謂地桿菌，即地桿菌科細菌，是一種非常重要的異化 Fe(Ⅲ)還原菌，廣泛分布于Fe(Ⅲ)還原環境，比如淡水沉積物、有機物或重金屬污染的地下水沉積層等，具有重要的生物修復功能。
雷鋒網了解到，15年前，該論文主要作者之一、微生物學家 Derek Lovley 發現，地桿菌能將電子從有機物質中轉移到鐵氧化物等金屬類化合物中。實際上，許多細菌均可制造出蛋白質納米線，將電子傳遞給其他細菌或其所處的環境中，也正是這樣的電子轉移形成了微小電流——可以說這一發現為研發Air-gen奠定了基礎。
根據論文介紹，研究團隊把從地桿菌中收獲的蛋白質納米線制成了薄膜裝置 Air-gen，周圍環境中便產生了連續的電力——在 7 微米厚的薄膜上產生約 0.5 伏的持續電壓，電流密度約為每平方厘米 17 微安。若將多個薄膜裝置連接起來，線性地放大電壓和電流，即可向電子設備供電。
具體來講，蛋白質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。在兩個電極間建立產生電流的條件的，正是與膜內納米線之間的細孔耦合的蛋白質納米線的電導率及化學性質。
下圖是蛋白質納米線裝置的透射電子顯微鏡圖像及其結構圖。
空氣濕度為 45%時效果最佳
2018 年，該研究團隊成員 Liu Xiaomeng發現，有時孤立的納米線會自發產生電流。后來，Liu Xiaomeng及其導師 Yao Jun(論文另一主要作者)共同發現，當納米線薄膜夾在兩塊充當電極的金薄片之間，可持續產生至少 20 小時的電流。
隨后，他們經實驗發現，當他們把納米線放在一個濕度很低的環境中時，電流會顯著減小。因此這說明：空氣濕度促成了電子的釋放。于是，研究團隊將這一發現應用于 Air-gen的研制中——其發電過程的驅動力正是薄膜暴露在空氣中時膜內自然形成的濕度的梯度變化。
下圖記錄了裝置連續發電超過兩個月(1500小時)的電壓(黑色曲線)和環境相對濕度(藍色曲線)。
值得一提的是，研究表明：當空氣濕度為 45% 時，Air-gen發電可以達到最好的效果。
如下圖所示，相對濕度約為 45%時，在裝置頂部覆蓋保鮮膜，其連續電流輸出將會被中斷(黑色箭頭)，并將持續此狀態(灰色區域)直至保鮮膜被移除。而在保鮮膜被移除那一刻，電流大小會返回到原始值(藍色箭頭)。
同時，這項新技術無污染、可再生、成本低，可以在諸如撒哈拉沙漠等濕度極低的地區發電，甚至可以在室內工作。論文作者之一 Jun Yao也提到：
我們實際上是在利用稀薄的空氣發電，Air-gen可以 24 小時不間斷地生產清潔能源。這是蛋白質納米線迄今為止最驚人、最令人興奮的應用。
開啟基于蛋白質的電子設備新時代
此外，研究人員表示，目前這一代的 Air-gen 設備能夠為小型電子設備提供動力，他們希望這項發明能很快投入商用。他們下一步計劃開發一個小型 Air-gen“貼片”，為健康和健身監測器、智能手表等電子可穿戴設備供電，減少其對傳統電池的需求。他們還希望將 Air-gen 應用于手機，用戶可以免去定期充電的麻煩。
不過，該團隊最終的目標是制造大規模系統。Jun Yao 表示：
比如把Air-gen納入墻壁涂料支持家庭供電，或者開發獨立的空氣動力發電機，為電網供電。一旦我們的線材生產達到工業規模，我希望我們制造出能為可持續能源生產做出重大貢獻的大型系統。
與此同時，為繼續推進地桿菌的實際應用能力，Derek Lovley及其團隊最近還開發了一種新的微生物菌株，可以更快、更便宜地大量生產蛋白質納米線：
我們把大腸桿菌變成了蛋白質納米線工廠，有了這種新的可伸縮工藝，蛋白質納米線供應將不再是瓶頸。
正如上文所述，研究團隊成員背景各不相同，因此這無疑是一次不同尋常的跨學科合作，在制造新能源的方向上邁進了重要一步。不過，正如 Jun Yao所言：
這只是基于蛋白質的電子設備新時代的開始。
關鍵詞： 空氣發動機
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