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一项 15 年前的发现终于得以应用。
近日，一个来自美国马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校（University of Massachusetts, Amherst）电气与计算机工程系、微生物学系、化学系、应用生命科学研究所及生物化学与分子生物学系的研究团队研制出了一种名为“Air-gen”的「空气发电机」。
雷锋网了解到，这种装置通过一种由细菌产生的天然蛋白质，利用空气中的水分即可成功发电，对可再生能源、气候变化及医学都可能产生重大影响。
当地时间 2020 年 2 月 17 日，《自然》杂志（Nature）刊登了该研究团队名为《利用蛋白质纳米线在湿润的环境中发电》（Power generation from ambient humidity using protein nanowires）的论文。
众所周知，目前常见的一些发电技术——例如太阳能电池、热电装置和机械发电机——对环境有一定的要求，其实这也就限制了它们持续发电的潜力。
与此同时，虽然基于空气中水分的发电技术为我们提供了一个新思路，但由于缺乏持续的转换机制，这种技术也只能产生间歇性的能量爆发，每次不超过 50 秒。
基于此，上述研究团队从硫还原地杆菌（Geobacter sulfurreducens）中收获了蛋白质纳米线。
所谓地杆菌，即地杆菌科细菌，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，比如淡水沉积物、有机物或重金属污染的地下水沉积层等，具有重要的生物修复功能。
雷锋网了解到，15 年前，该论文主要作者之一、微生物学家 Derek Lovley 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。实际上，许多细菌均可制造出蛋白质纳米线，将电子传递给其他细菌或其所处的环境中，也正是这样的电子转移形成了微小电流——可以说这一发现为研发 Air-gen 奠定了基础。
根据论文介绍，研究团队把从地杆菌中收获的蛋白质纳米线制成了薄膜装置 Air-gen，周围环境中便产生了连续的电力——在 7 微米厚的薄膜上产生约 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。
具体来讲，蛋白质纳米线薄膜的底部位于电极上，而仅覆盖部分纳米线薄膜的较小电极位于顶部。在两个电极间建立产生电流的条件的，正是与膜内纳米线之间的细孔耦合的蛋白质纳米线的电导率及化学性质。
下图是蛋白质纳米线装置的透射电子显微镜图像及其结构图。
2018 年，该研究团队成员 Liu Xiaomeng 发现，有时孤立的纳米线会自发产生电流。后来，Liu Xiaomeng 及其导师 Yao Jun（论文另一主要作者）共同发现，当纳米线薄膜夹在两块充当电极的金薄片之间，可持续产生至少 20 小时的电流。
随后，他们经实验发现，当他们把纳米线放在一个湿度很低的环境中时，电流会显著减小。因此这说明：空气湿度促成了电子的释放。于是，研究团队将这一发现应用于 Air-gen 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的梯度变化。
下图记录了装置连续发电超过两个月（1500 小时）的电压（黑色曲线）和环境相对湿度（蓝色曲线）。
值得一提的是，研究表明：当空气湿度为 45% 时，Air-gen 发电可以达到最好的效果。
如下图所示，相对湿度约为 45% 时，在装置顶部覆盖保鲜膜，其连续电流输出将会被中断（黑色箭头），并将持续此状态（灰色区域）直至保鲜膜被移除。而在保鲜膜被移除那一刻，电流大小会返回到原始值（蓝色箭头）。
同时，这项新技术无污染、可再生、成本低，可以在诸如撒哈拉沙漠等湿度极低的地区发电，甚至可以在室内工作。论文作者之一 Jun Yao 也提到：
我们实际上是在利用稀薄的空气发电，Air-gen 可以 24 小时不间断地生产清洁能源。这是蛋白质纳米线迄今为止最惊人、最令人兴奋的应用。
此外，研究人员表示，目前这一代的 Air-gen 设备能够为小型电子设备提供动力，他们希望这项发明能很快投入商用。他们下一步计划开发一个小型 Air-gen“贴片”，为健康和健身监测器、智能手表等电子可穿戴设备供电，减少其对传统电池的需求。他们还希望将 Air-gen 应用于手机，用户可以免去定期充电的麻烦。
【雷锋网注：艺术化的装置概念图】
不过，该团队最终的目标是制造大规模系统。Jun Yao 表示：
比如把 Air-gen 纳入墙壁涂料支持家庭供电，或者开发独立的空气动力发电机，为电网供电。一旦我们的线材生产达到工业规模，我希望我们制造出能为可持续能源生产做出重大贡献的大型系统。
与此同时，为继续推进地杆菌的实际应用能力，Derek Lovley 及其团队最近还开发了一种新的微生物菌株，可以更快、更便宜地大量生产蛋白质纳米线：
我们把大肠杆菌变成了蛋白质纳米线工厂，有了这种新的可伸缩工艺，蛋白质纳米线供应将不再是瓶颈。
正如上文所述，研究团队成员背景各不相同，因此这无疑是一次不同寻常的跨学科合作，在制造新能源的方向上迈进了重要一步。不过，正如 Jun Yao 所言：
这只是基于蛋白质的电子设备新时代的开始。
参考资料：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2010-9
https://phys.org/news/2020-02-green-technology-electricity-thin-air.html
https://www.sciencemag.org/news/2020/02/electric-bacteria-create-currents-out-thin-and-thick-air
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