会“发电”的壁纸

郑晶敏

蓝藻，一种古老的光合微生物，在地球上已经存在超过30亿年。现在它却常因为导致水源大面积污染而被人为清理。

但实际上，蓝藻对环境的正面影响更大。科学家们也关注到这一点，正在积极想办法利用它来更经济地制造清洁能源。

作为地球上首批出现的原核生物，蓝藻是最早的光合放氧生物，参与了当年通过光合作用将地球表面的无氧大气环境变为有氧环境的过程。可以说，如果没有蓝藻，这个蓝色星球上所有依赖氧气的生物—包括人类便不会有生存的机会。

来自英国帝国理工学院、剑桥大学和中央圣马丁学院的科学家们最近就发现，这种古老的生物不仅能够提供氧气，还可以“发电”。由上述三所大学组成的研究小組正在研发一种以蓝藻为原料、会“呼吸”的壁纸—从实际作用上看，它其实可被看作一种生物太阳能发电板。

蓝藻壁纸的制作过程类似于普通壁纸—通过喷墨打印得到图案，只不过前者使用的墨水是由蓝藻制成浓稠溶液。这个过程的复杂之处在于，为了让“生物墨水”具备导电性，研究人员需要先将蓝藻印在导电的碳纳米管上，然后一起打印在纸上。

“碳纳米管与蓝藻相容，被打印之后的蓝藻依然能够存活并生长。”帝国理工学院博士后研究员Marin Sawa对《第一财经周刊》说，“碳纳米管导体的作用是获取从蓝藻中排泄出的电子，并形成电路的主要元素阳极和阴极。”

巧合的是，位于加拿大康考迪亚大学光生物微系统的一个研究小组去年设计了一种微光合电池，其中，电池的阳极室就含有蓝藻，可将电子释放到位于阴极的氧化还原剂电极表面，它还含有一个外部负载用以提取电子。该电池可产生993毫伏的开路电压，功率密度为每平方厘米36.23瓦。

准确来说，蓝藻壁纸的原料是一种名为集胞藻的单细胞球形蓝藻。集胞藻的直径约为2微米，相当于人类头发直径的1/50。其体内的叶绿素使它能和植物一样发生光合作用，利用光能将空气中的二氧化碳转化为生物量，这也是生物电池得以运转的能量来源。

集胞藻不仅能在阳光下进行光合作用，在微弱、短时光的刺激，甚至是黑暗条件下，它也可以利用自身体内葡萄糖维持生命活动，这在生物学里称为异养生长。但前提是短时光照时间必须不短于5分钟。

“蓝藻壁纸其实是一个半衰期系统，生物发电的质量取决于壁纸上蓝藻的健康状况。”Marin Sawa说。这意味着，一旦被制成壁纸，蓝藻就进入了生命衰退期。因此该项研究的核心技术就是蓝藻的固体培养。

“尽管我们都很熟悉生长在石像和建筑表面的蓝藻，但人工固体培养蓝藻，还是一个未完全开发的领域。”据Marin Sawa介绍，在目前的试验中，基于纸张的蓝藻电池系统的发电量可以稳定持续4天。如何延长系统寿命，是研究小组接下来要克服的难题。

一旦突破了固体培养蓝藻的难题，将激发蓝藻的许多潜在价值，比如利用蓝藻和蓝藻细菌数字打印健康食品。没错，蓝藻本身就是一种可食用的藻类，西北地区盛产的发菜的原料就是蓝藻中的念珠藻和螺旋藻。一些拥有固氮能力的蓝藻，比如鱼腥藻，还是优质的肥 料。

一块iPad大小的蓝藻壁纸可以为电子表、LED灯等小型设备供电。在研究小组的设想中，它还是一种可以伪装成墙纸的、用于检测空气质量的生物传感器。但目前蓝藻壁纸过低的功率还不足以支撑大型设备的能耗，使用时间非常有限。

相比光伏发电，蓝藻壁纸通过生物光合作用获得的电功率有限，为此研究小组根据其生物性的优势为其找到了特定的应用方向。“传统的光伏材料废弃后会给环境带来负担，但生物电池可降解，这种环境友好性在传统光伏材料的基础上很难实现。”参与该项目的帝国理工学院生命科学博士Andrea Fantuzzi告诉《第一财经周 刊》。

这意味着生物电池非常适合作为“一次性能源”。而集胞藻在黑暗中依然能够生长的特性，使它能够在生命周期内源源不断地提供电能。“在自身灯光下，生物电池实际上同时在为自己充电。”Andrea Fantuzzi说。

尽管蓝藻壁纸不能像传统太阳能电池那样适用于大规模电力生产，但对于低功率要求的设备，比如环境传感器和生物传感器，却是理想的电源选择。据Andrea Fantuzzi介绍，近年来，护理诊断和环境监测领域出现了大量针对廉价并可一次性使用的环境友好型设备的研究。“尤其是在传统太阳能发电技术难以触及的贫困地区，这种基于纸张的电力供应将发挥巨大价值。”

将基于纸张的生物光合发电技术与生物传感器技术相结合，制成一次性使用的可降解的纸质生物传感器，将为疾病诊断带来便利，比如它可以为糖尿病患者监测血糖水平等健康指标。使用后产生可降解的医疗废品，最大程度降低对环境的影响。此外，低廉的成本也将缓解许多国家紧张的医疗预算和资源。

生物电池研究的另一项重要技术是电子印刷技术。“电子印刷技术可以打印电池，也可以扩展到整个电子元件，”Andrea Fantuzzi说，“印刷的电子产品正在飞速发展，在不久的将来，电子元件可以完全由印刷技术在纸上制造。”尽管目前大部分传统电子设备厂商使用的基于纸张的电子印刷元件更多是因为廉价而非环保—可降解的电子元件还未出现—但低成本给了研究人员更多空间研发可降解的电子元件。

不过在商业化之前，如何提高蓝藻电池的功率输出和使用寿命也是研究小组急需解决的问题。Andrea Fantuzzi提出，通过提高电路的导电率和绝缘性能得到提高输出功率的目的。具体实现方法是减少水凝胶的蒸发，以提高电路稳定性。此外，Andrea Fantuzzi还将研究生活在沙漠等恶劣条件下的懒感菌菌株，试图找到寿命更长的蓝藻。

英国帝国理工学院的Marin Sawa则在研发新的纳米材料，以提高生物电池的导电性。“研发的成本远远高于制造成本，我们在改进电池性能的同时，也尽可能想方设法为大规模制造节省成本，以更好地实现这项技术的商业化。”他说。