｜ 由空气湿度产生电能的蛋白质纳米线薄膜

马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校的一个跨学科科学家团队利用一种常见细菌产生了惊人的强电流——几乎是凭空产生的。

“水汽其实含有一定电荷量，”该研究作者、电气工程教授姚军（音译）说。依托这一事实，他与同事创造了一种能吸引周围水汽发电的装置，称之为“空气发电机”。

他们的研究结果周五发表在《自然》杂志上，这可能代表着朝着一种比传统电池更环保、比风能更稳定、比太阳能电池更节省空间的发电方法迈出的第一步。但在这之前还有很多工作要做。

该项目始于两年前，当时姚教授实验室的电气工程专业研究生刘晓萌（音译）发现，他正在研究的一个原型已经开始产生出人意料的结果。即便没有向装置中输入电流，他也能检测到电源输出。

“一开始我们很困惑，”姚教授说。

该装置由硫还原地杆菌（Geobacter sulfurreducens）产生的一种蛋白质“纳米线”制成。其导电性能多年来一直是阿默赫斯特分校另一个实验室的微生物学家德里克·洛弗（Derek Lovley）的研究课题，该项目是两个研究小组的合作。

测试后一段时间，他们发现这一最初发现并非侥幸成功：蛋白质纳米线能得到同样的结果，在适当条件下产生可预测电量。它们到达的结构表面是两个电极之间的一层纳米线薄膜。顶部电极将薄膜的一部分暴露于空气及其水汽中。

姚说，纳米线的化学属性能吸引空气中的水汽。薄膜中的水量差异（靠近表面的水更多，更深处的水更少）在薄膜的不同位置产生了电荷量的差异。

姚和同事报告说他们的微型装置目前能产生0.5伏特电压。他们还连接了5个装置，产生了2.5伏特电压。

尽管研究人员表示，该设备在40- 50%的相对湿度下工作得最好（为了理想的舒适度，你的家应该在30 - 50%之间），但在20%的相对湿度和100%的相对湿度之间，它仍然会产生可检测到的电压。

“人类利用水力发电的历史很长，”姚在与论文同时发表的一篇评论中写道。你可以把该装置想象成水坝的后辈，因为它依赖于水的基本属性（从一个地方移动到另一个地方的能力）来发电。

和这项新技术一样，水坝也是通过水力梯度来发电的。液体从高水位的地方（水库）移动到低水位的地方（河流）。它一路上推动着涡轮机继续发电。

以蛋白质纳米线为例，电流不是来自涡轮机，而是直接来自“湿度梯度”。这就好像水坝能从空气中抽出水来，再推动水通过涡轮机。电极能够传输这种电流。

但还有很多问题。首先，从姚教授的角度来看：他们设计的小型发电机能否按比例放大，产生足够大的电量？这将意味着要研究大量组合这些微型设备所带来的工程问题，看看是否有可能在更大的设备上生成足够大的电压。做这项研究将需要更多的资金，该团队正在努力确保这一点。

接下来的问题是如何制造足够多的蛋白质纳米线。洛弗及其同事在一篇论文中报告说，生成这种蛋白质那米线的细菌很难大量繁殖，而且难以实现基因控制。据说他们转而用一种易于培养的细菌大肠杆菌来生成这种蛋白质纳米线，结果导电效果和用硫还原地杆菌生成的蛋白质纳米线一样。

人类找到利用空气发电的方法一点问题没有，但在我们能估计到空气发电在实践中有多大用处之前，还有很多东西要学。而且无论理论上听起来多么神奇，任何单一技术都不可能产生我们的全部能量。但任何可能产生新的可再生能源的研究都值得密切关注。

“我认为这是一项非常有趣的工作，”威斯康辛大学麦迪逊分校工程师王旭东说。“看到新材料和新概念出现并可提供可再生能源解决方案，总是令人兴奋的。”

本文编译自PopSci，作者：Kat Eschner

译者：Sail2008

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