天然蛋白质实现空气中水分发电

天然蛋白质实现空气中水分发电。

目前，常见的一些发电技术如太阳能、热电装置和机械发电机等都对环境有一定的要求，这在一定程度上限制了它们持续发电的能力。最近，马萨诸塞州大学的电子工程师Jun Yao和微生物学家Derek Lovley在《自然》杂志上发表了一项研究成果，他们通过一种称为“空气发电机（Air-gen）”的设备，配合微生物地杆菌产生导电的蛋白质纳米线，通过自然存在于大气中的水蒸气产生电流，将电极与蛋白质纳米线相连接进行发电。这种新技术对于可再生能源、气候变化和医药的未来都具有极为重要的影响。

在这项研究中，科学家们从硫还原地杆菌中获取了蛋白质纳米线。所谓地杆菌，就是地杆菌科细菌，是一种非常重要的Fe(III)还原菌，其广泛分布于Fe(III)还原环境中，比如淡水沉淀物、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。

具体来说，空气发电机只需要一片不到10微米厚的蛋白质纳米线薄膜。薄膜的底部放在一个电极上，而另一个较小电极覆盖在纳米线薄膜顶部的一部分。这个薄膜就可以从周围大气中吸收水蒸气。蛋白质纳米线的导电性结合表面的化学性，加上薄膜中纳米线之间的细孔，就在两极之间建立了传导电流的条件。

进一步研究表明，产生这种能量的驱动力是一种自我维持的湿度梯度，当薄膜暴露于空气中自然存在的湿度之下时，就会在薄膜内部形成这种梯度。将数个器件线性连接就可以按比例地增加电压和电流并驱动电子设备。

在新设备中，纳米线间的空隙似乎有助于保持湿度梯度，使发电可以持续两个月以上。所以，新装置运行时间可持续。这款发电机在自充电之前可以产生至少20小时的连续电流，与以往依靠环境、大气湿度获取能量的技术相比，其功率密度提高了两个数量级以上。这一研究成果为我们提供了一种不受地理位置或环境条件限制的可持续能源获取策略。

Lovley教授补充道：“蛋白质纳米线的另一个优点是真正的‘绿色’和可持续性，我们可以通过可再生原料喂养的微生物来大规模生产蛋白质纳米线。传统纳米线材料的制造方式需要消耗大量的能量，并且需要添加有害的化学物质。相较之下，蛋白质纳米线比硅纳米线更薄，并且比硅在水中更稳定，这对于在生物医学应用中非常重要，比如可以用来检测汗液中的代谢物。”

这项新技术具有无污染、可再生且低成本等特性,甚至在极低湿度的地区如撒哈拉大沙漠也能够完成发电。Lovley教授表示：“相比其他形式的新能源如太阳能、风能等，新技术具有显著的优势。”因为不同于其他可再生能源，空气发电机不需要日光或风，甚至在室内就能完成。Lovley教授在过去30年里，已经研究出了先进的可持续利用的基于生物技术的电子材料。他表示：“这是迄今为止，蛋白质纳米线最令人惊讶和兴奋的应用。”

据研究人员介绍，这个电子设备在7微米厚的薄片上产生了大约0.5伏的可持续性电压，每平方厘米的电流密度在17微安左右。虽然所产生的电力微弱，但是将数个设备连接提升电压与电流，就能够为小型家用电器充电。他们希望可以很快实现这项研究的商业化应用。接下来，他们计划开发一个小型空气发电机“补丁”，可以为电子可穿戴设备，如健康、健身监测设备和智能手表等充电。除此之外，他们还希望开发出适用于手机或电动汽车的空气发电机，可以免去定期的充电需求。除空气发电机外，Yao教授实验室也开发了一些与蛋白质纳米线相关的其他应用。Yao教授表示“这只是蛋白质基电子设备新时代的开始”。

据Yao教授介绍：“我们最终的目标是制造大型的设备，比如将这项科技融入墙壁绘画，从而为整个房子充电。或者，我们也可以发展独立运行的空气发电机，离开整个网络进行充电。一旦我们达到了电线生产的工业规模，我将期待着我们制造出的大型系统能够为可持续能源生产做出重要的贡献。”

除此之外，研究人员们还在继续提升地杆菌的实际生物性能，Lovley教授实验室近日研发了一款新型的菌种，能够更加快速低廉地批量生产蛋白质纳米线。研究人员说：“我们将大肠杆菌转化为蛋白质纳米线，在这一新的扩展过程中，蛋白质纳米线的供应将不再是发展这项技术的障碍。”

Lovley教授介绍，空气发电机的发现是一次非比寻常的跨学科合作。早在30多年前，Lovley教授在美国波托马克河的淤泥中发现了地杆菌微生物。不久后，他的实验室就发现了这种微生物能够产生可导电的蛋白质纳米线。在进入马萨诸塞州大学之前，Yao教授曾在哈佛大学工作过多年，他在那里曾用硅纳米线设计电子设备。两位教授进行合作，观察从地杆菌中提取的蛋白质纳米线是否能够制成有用的电子设备。

Yao实验室的博士生Xiaomeng Liu在研发传感器设备时，观察到一个意想不到的现象，他回忆道：“我看到当纳米线以特殊的方式与电极相连时，电子设备就能产生电流。我注意到暴露在一定空气湿度中是一个必要的条件，同时蛋白质纳米线吸收水分，并在整个设备产生电压梯度。”

研究人员表示，这些蛋白质纳米线与聚合物纤维具有惊人的相似性，我们正在研究如何有效地将两者结合起来。Lovley表示：“在这项由UMass Amherst校园基金支持的探索类研究中，微生物学团队的后续工作包括扩大纳米线和聚合物基质的生产。”

在他们的验证研究中，蛋白质纳米线在引入聚合物聚乙烯醇时形成导电网络，这种材料可以在极端的条件下进行处理，比如加热或极端的pH值，这些条件可能会破坏蛋白质基复合材料，但该材料仍然能够很好地工作。

这些嵌入聚合物中的蛋白质纳米线的电导率随pH值得变化而变化，Lovley教授表示：“这是一些重要的生物医学参数，可以用来诊断一些重大的医疗问题，我们还可以用我们理想的方式对蛋白质纳米线的结构进行修复，以便广泛检测其他生物医学分子。”

编译自《自然》杂志

（责任编辑 姜懿翀）