科學(xué)家用細菌實(shí)現“空氣發(fā)電”

 藝術(shù)家對納米線(xiàn)發(fā)電機的構想 圖片來(lái)源：ELLA MARU STUDIO

利用稀薄的空氣發(fā)電聽(tīng)起來(lái)像是科幻小說(shuō)，但一項基于納米線(xiàn)的新技術(shù)——發(fā)電細菌，就能在含有水分的空氣中做到這一點(diǎn)。

這項2月17日發(fā)表于《自然》的新研究表明，發(fā)電細菌產(chǎn)生的蛋白質(zhì)細絲，可以產(chǎn)生足夠的能量點(diǎn)亮LED燈泡。雖然研究人員還不確定這些蛋白質(zhì)細絲是如何工作的，但這個(gè)微型發(fā)電機功能強大：17個(gè)這樣的設備鏈接在一起，可以產(chǎn)生10伏特的電壓，足可以為一部手機提供電力。

未參與這項工作的中國科學(xué)院院士、南京航空航天大學(xué)納米科學(xué)研究所所長(cháng)郭萬(wàn)林說(shuō)，新方法應該被視為一個(gè)“里程碑式的進(jìn)步”。郭萬(wàn)林研究水伏發(fā)電技術(shù)，這是一種從水中獲取電能的分子方法。

據《科學(xué)》報道，15年前，美國馬薩諸塞大學(xué)微生物學(xué)家Derek Lovley和同事發(fā)現了一種名為Geobacter的細菌，能將電子從有機物轉移到金屬類(lèi)化合物。從那以后，人們了解到，其他許多細菌可以制造蛋白質(zhì)納米線(xiàn)，將電子傳遞給環(huán)境中的細菌或沉積物。這種轉移產(chǎn)生了一種小電流，研究人員曾嘗試將其作為清潔能源加以利用，并取得了不同程度的成功。

兩年前，馬薩諸塞大學(xué)姚軍(音譯)團隊發(fā)現，如果把納米線(xiàn)的薄膜夾在兩塊用作電極的金板間，并且不去管它，它們可以持續供電至少20個(gè)小時(shí)。而且這個(gè)設備可以自我充電，訣竅是讓納米線(xiàn)薄膜的一面暴露在潮濕的空氣中，且使頂板比底板小。

經(jīng)過(guò)不斷試驗，研究人員發(fā)現，當把納米線(xiàn)放在一個(gè)不潮濕的房間時(shí)，電流會(huì )減小，這表明濕度是電子產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。通過(guò)將設備暴露在不同的濕度下，研究人員發(fā)現這種方法在空氣濕度為45%的情況下效果最好。

研究人員表示，發(fā)電的秘密就在于薄膜的上半部分吸收了水分，形成了水分梯度，水滴不斷從上半部分擴散進(jìn)出，這些水滴可以分解成氫離子和氧離子，導致電荷在頂部附近聚集。姚軍解釋說(shuō)，薄膜頂部和底部的電荷差異導致了電子流動(dòng)。

但之前利用水蒸氣導電的嘗試，只能在短時(shí)間內產(chǎn)生少量電流。姚軍團隊報告說(shuō)，在新裝置中，納米線(xiàn)之間的空隙似乎有助于保持濕度梯度，使發(fā)電可以持續兩個(gè)月以上。因此，新裝置運行時(shí)間可持續幾周，其輸出功率是之前設備的100多倍。

郭萬(wàn)林表示，“空氣發(fā)電”不需要外部電力，比太陽(yáng)能電池板或風(fēng)力渦輪機的適用范圍廣，因此，如果能擴大規模，它將顯示出“巨大的實(shí)際應用潛力”。

不過(guò)德國馬普海洋微生物研究所微生物學(xué)家Dirk de Beer對這篇論文的成果持保留意見(jiàn)。他說(shuō)，空氣發(fā)電似乎提供了一個(gè)無(wú)限的電源，但該技術(shù)仍然沒(méi)有明確的電子來(lái)源。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2010-9