用空氣發(fā)電

簡愛

2020年2月，美國馬薩諸塞大學(xué)阿姆赫斯特分校的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一種裝置——空氣發(fā)電機(jī)，并在《自然》期刊上發(fā)表了論文。該裝置由硫還原地桿菌產(chǎn)生的一種蛋白質(zhì)納米線制成，憑借空氣中的水分就能成功發(fā)電。

15年前，論文的作者之一、微生物學(xué)家德里克·洛弗發(fā)現(xiàn)，地桿菌能將電子從有機(jī)物質(zhì)中轉(zhuǎn)移到鐵氧化物等金屬類化合物中，這樣的電子轉(zhuǎn)移可以產(chǎn)生微小的電流。地桿菌是一種非常重要的異化Fe（Ⅲ）還原菌，廣泛分布于Fe（Ⅲ）還原環(huán)境里，具有重要的生物修復(fù)功能。這一發(fā)現(xiàn)，為研發(fā)空氣發(fā)電機(jī)奠定了基礎(chǔ)。

論文的另一個(gè)作者姚軍是一名電機(jī)工程師，多年來一直從事用硅膠納米線設(shè)計(jì)電子設(shè)備。兩年前，姚教授的學(xué)生劉曉萌在研究傳感器設(shè)備時(shí)發(fā)現(xiàn)，孤立的蛋白質(zhì)納米線會自發(fā)地產(chǎn)生電流。當(dāng)把納米線薄膜夾在兩塊用金屬薄片制成的電極之間時(shí)，可以產(chǎn)生至少維持20個(gè)小時(shí)的電流。那么，這種電流是怎么產(chǎn)生的呢？

經(jīng)過排查確定，這些電子不是來自金質(zhì)金屬電極，也不是蛋白質(zhì)納米線自身分解并釋放的，更不是光以某種方式觸發(fā)化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的，而是空氣濕度在作怪：電流大小會隨著空氣濕度的變化而變化。當(dāng)濕度為45%時(shí)，電流效果最好。不過，即便是在極為干燥的地方也一樣能發(fā)電，比如撒哈拉沙漠。這說明空氣中的濕度促成了蛋白質(zhì)納米線的電子釋放，納米線的化學(xué)屬性能吸引空氣中的水汽。

于是，研究團(tuán)隊(duì)決定將這一發(fā)現(xiàn)應(yīng)用到空氣發(fā)電機(jī)的研制中，其發(fā)電過程的驅(qū)動力，正是薄膜暴露在空氣中時(shí)膜內(nèi)自然形成的濕度梯度變化。研究團(tuán)隊(duì)把從地桿菌里收獲的蛋白質(zhì)納米線制成薄膜裝置，裝置只需要一個(gè)不到10微米厚的薄膜，將薄膜置于一片電極上，再讓一個(gè)更小的只能部分覆蓋納米線薄膜的電極置于薄膜的上方，薄膜便會從大氣中吸收水蒸氣：蛋白質(zhì)納米線的導(dǎo)電性，加上蛋白質(zhì)表面的化學(xué)性質(zhì)，再結(jié)合薄膜內(nèi)部納米線之間的細(xì)孔，為兩個(gè)電極之間產(chǎn)生電流創(chuàng)造了條件。在7微米厚的薄膜上，能產(chǎn)生約0.5伏的持續(xù)電壓，電流密度約為每平方厘米17微安。若將多個(gè)薄膜裝置連接起來，線性地放大電壓和電流，即可向電子設(shè)備供電。

與此同時(shí)，為了繼續(xù)推進(jìn)地桿菌的實(shí)際應(yīng)用能力，研究團(tuán)隊(duì)最近還研發(fā)出了一種新的微生物菌株。他們把大腸桿菌變成了蛋白質(zhì)納米線的工廠，可以更快、更便宜地大量生產(chǎn)蛋白質(zhì)納米線。

這種空氣發(fā)電機(jī)能夠7天7夜不間斷地發(fā)電，產(chǎn)生清潔能源。這項(xiàng)新的技術(shù)不受地點(diǎn)、氣候等環(huán)境因素的限制，將對可再生能源、醫(yī)學(xué)及氣候變化產(chǎn)生重要影響。

目前，空氣發(fā)電機(jī)的發(fā)電量足以為小型電子設(shè)備提供電力，研究團(tuán)隊(duì)希望這項(xiàng)技術(shù)可以很快投入商業(yè)應(yīng)用。下一步，他們計(jì)劃研發(fā)出一種小型的空氣發(fā)電機(jī)“貼片”，為健身監(jiān)測器、智能手表等可穿戴電子設(shè)備提供電力，消除這些設(shè)備對傳統(tǒng)電池的依賴。

不過，研究團(tuán)隊(duì)的最終目標(biāo)是制造大規(guī)模的系統(tǒng)，如將空氣發(fā)電機(jī)以某種方式融入裝修所用的墻漆中，從而為家庭和普通建筑提供電能。他們認(rèn)為，一旦這一技術(shù)達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，那么制造出大型系統(tǒng)將不再是紙上談兵，這對可持續(xù)清潔能源生產(chǎn)來說將是巨大的喜訊。