用空气发电

文/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。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。这说明空气中的湿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。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。

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。