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用空气发电

2020-06-01简爱

知识窗 2020年5期
关键词:纳米线薄膜杆菌

简爱

2020年2月,美国马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校的研究团队研发出了一种装置——空气发电机,并在《自然》期刊上发表了论文。该装置由硫还原地杆菌产生的一种蛋白质纳米线制成,凭借空气中的水分就能成功发电。

15年前,论文的作者之一、微生物学家德里克·洛弗发现,地杆菌能将电子从有机物质中转移到铁氧化物等金属类化合物中,这样的电子转移可以产生微小的电流。地杆菌是一种非常重要的异化Fe(Ⅲ)还原菌,广泛分布于Fe(Ⅲ)还原环境里,具有重要的生物修复功能。这一发现,为研发空气发电机奠定了基础。

论文的另一个作者姚军是一名电机工程师,多年来一直从事用硅胶纳米线设计电子设备。两年前,姚教授的学生刘晓萌在研究传感器设备时发现,孤立的蛋白质纳米线会自发地产生电流。当把纳米线薄膜夹在两块用金属薄片制成的电极之间时,可以产生至少维持20个小时的电流。那么,这种电流是怎么产生的呢?

经过排查确定,这些电子不是来自金质金属电极,也不是蛋白质纳米线自身分解并释放的,更不是光以某种方式触发化学反应而产生的,而是空气湿度在作怪:电流大小会随着空气湿度的变化而变化。当湿度为45%时,电流效果最好。不过,即便是在极为干燥的地方也一样能发电,比如撒哈拉沙漠。这说明空气中的濕度促成了蛋白质纳米线的电子释放,纳米线的化学属性能吸引空气中的水汽。

于是,研究团队决定将这一发现应用到空气发电机的研制中,其发电过程的驱动力,正是薄膜暴露在空气中时膜内自然形成的湿度梯度变化。研究团队把从地杆菌里收获的蛋白质纳米线制成薄膜装置,装置只需要一个不到10微米厚的薄膜,将薄膜置于一片电极上,再让一个更小的只能部分覆盖纳米线薄膜的电极置于薄膜的上方,薄膜便会从大气中吸收水蒸气:蛋白质纳米线的导电性,加上蛋白质表面的化学性质,再结合薄膜内部纳米线之间的细孔,为两个电极之间产生电流创造了条件。在7微米厚的薄膜上,能产生约0.5伏的持续电压,电流密度约为每平方厘米17微安。若将多个薄膜装置连接起来,线性地放大电压和电流,即可向电子设备供电。

与此同时,为了继续推进地杆菌的实际应用能力,研究团队最近还研发出了一种新的微生物菌株。他们把大肠杆菌变成了蛋白质纳米线的工厂,可以更快、更便宜地大量生产蛋白质纳米线。

这种空气发电机能够7天7夜不间断地发电,产生清洁能源。这项新的技术不受地点、气候等环境因素的限制,将对可再生能源、医学及气候变化产生重要影响。

目前,空气发电机的发电量足以为小型电子设备提供电力,研究团队希望这项技术可以很快投入商业应用。下一步,他们计划研发出一种小型的空气发电机“贴片”,为健身监测器、智能手表等可穿戴电子设备提供电力,消除这些设备对传统电池的依赖。

不过,研究团队的最终目标是制造大规模的系统,如将空气发电机以某种方式融入装修所用的墙漆中,从而为家庭和普通建筑提供电能。他们认为,一旦这一技术达到工业生产规模,那么制造出大型系统将不再是纸上谈兵,这对可持续清洁能源生产来说将是巨大的喜讯。

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