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06-17
15年前的发现终于得到应用了。
近日，来自美国马萨诸塞大学阿默斯特分校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以及生物化学与分子生物学系的研究团队开发出了一种名为“空气发生器”开发了“Air-gen”。
雷锋网获悉，该装置可以通过细菌产生的天然蛋白质，利用空气中的水分成功发电，并可能对可再生能源、气候变化和医学产生重大影响。
当地时间2020年2月17日，《自然》杂志（Nature）发表了研究团队题为《利用蛋白质纳米线在湿润的环境中发电》（利用蛋白质纳米线从环境湿度发电）的论文。
从地杆菌中收获蛋白质纳米线 众所周知，目前一些常见的发电技术——例如太阳能电池、热电装置和机械发电机——都有一定的环境要求，这实际上限制了它们持续发电的潜力。
同时，虽然基于空气中水分的发电技术为我们提供了新的思路，但由于缺乏连续的转换机制，该技术只能产生间歇性的能量爆发，每次持续时间不超过50秒。
基于此，上述研究小组从硫还原地杆菌中收获了蛋白质纳米线。
所谓地杆菌(Geobacter)或地杆菌科(Geobacteriaceae)是一种非常重要的异化Fe(Ⅲ)还原细菌。
它广泛分布于Fe(Ⅲ)还原环境中，如淡水沉积物、有机物或重金属污染的地下水沉积物等，具有重要的生物修复功能。
雷锋网获悉，15年前，论文主要作者之一、微生物学家Derek Lovley发现Geobacter可以将电子从有机物转移到氧化铁等金属化合物上。
事实上，许多细菌可以产生蛋白质纳米线，将电子转移到其他细菌或其环境中。
正是这种电子转移形成了微小的电流——可以说，这一发现为Air-gen基金会的发展提供了基础。
论文称，研究团队将从 Geobacter 中收获的蛋白质纳米线制成一种名为 Air-gen 的薄膜装置，它可以在周围环境中产生持续的电力——在 7 微米厚的薄膜上产生约 0.5 伏的连续电压。
，电流密度约为每平方厘米 17 微安。
如果连接多个薄膜器件来线性放大电压和电流，就可以为电子设备供电。
具体来说，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。
与膜中纳米线之间的孔耦合的蛋白质纳米线的电导率和化学性质为在两个电极之间产生电流奠定了条件。
下图是蛋白质纳米线器件的透射电子显微镜图像及其结构图。
当空气湿度为 45% 时效果最佳。
研究小组成员刘晓萌发现，有时孤立的纳米线会自发发电。
随后，刘小猛和导师姚军（论文另一主要作者）共同发现，当纳米线薄膜夹在两片金片作为电极之间时，可以持续产生电流至少20小时。
随后，他们通过实验发现，当将纳米线放置在湿度非常低的环境中时，电流显着下降。
所以这表明空气湿度有助于电子的释放。
因此，研究团队将这一发现应用到了Air-gen的开发中——其发电过程的驱动力是薄膜暴露在空气中时自然形成的湿度梯度变化。
下图记录了设备连续发电两个多月（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，Air-gen发电在空气湿度为45%时能达到最佳效果。
如下图所示，当相对湿度为45%左右时，当设备顶部被保鲜膜覆盖时，其持续的电流输出将被中断（黑色箭头），并会持续这种状态（灰色区域），直到保鲜膜被除去。
当保鲜膜被移除时，当前电平将恢复到其原始值（蓝色箭头）。
同时，这项新技术无污染、可再生、低成本，可以在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小时生产清洁能源。
这是蛋白质纳米线迄今为止最令人惊讶和令人兴奋的应用。
开创基于蛋白质的电子产品的新时代此外，研究人员表示，当前一代的 Air-gen 设备能够为小型电子设备供电，他们希望这项发明很快就能投入商业使用。
他们的下一步是开发一种小型 Air-gen“贴片”，为健康和健身监视器以及智能手表等电子可穿戴设备供电，从而减少对传统电池的需求。
他们还希望将Air-gen应用到手机上，这样用户就可以免去经常充电的麻烦。
【雷锋网注：艺术装置概念】然而，团队的最终目标是创造大型系统。
姚军表示：比如将Air-gen融入墙漆中，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。
一旦我们达到电线生产的工业规模，我希望我们能够制造出能够为可持续能源生产做出重大贡献的大型系统。
与此同时，为了继续提高 Geobacter 的实际应用能力，Derek Lovley 和他的团队最近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：通过这种新的可扩展工艺，我们将大肠杆菌转变为蛋白质纳米线工厂，蛋白质纳米线供应将不再是瓶颈。
如上所述，研究团队成员背景不同，这无疑是一次不同寻常的跨学科合作，也是朝着创造新能源方向迈出的重要一步。
然而，正如姚军所说：这只是基于蛋白质的电子设备新时代的开始。
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