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　　一直以來，科學(xué)家都希望能從周圍的環(huán)境中獲取可自給自足的清潔能源。一些眾所周知的新能源技術(shù)，如太陽能、風能等可再生能源都對環(huán)境有特定要求，這在一定程度上限制了這些技術(shù)的使用范圍，也限制了它們持續(xù)生產(chǎn)能源的潛力。

　　最近，馬薩諸塞大學(xué)阿姆赫斯特分校的一組研究人員研發(fā)了一種新的裝置，它通過一種由細菌產(chǎn)生的天然蛋白質(zhì)，憑借空氣中的水分，就能成功發(fā)電。這項新的技術(shù)不受地點、氣候等環(huán)境因素的限制，即使在室內(nèi)，甚至是撒哈拉沙漠這樣的濕度極低的地區(qū)，也能奏效。這對未來的可再生能源、氣候變化和醫(yī)學(xué)研究都將產(chǎn)生重大影響。

　　在近期的《自然》雜志中，研究人員詳細介紹了他們是如何在實驗室中利用由蛋白質(zhì)納米線發(fā)明了這樣一種“空氣發(fā)電機”。

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　　故事要從一類桿菌屬開始說起。15 年前，論文的作者之一，微生物學(xué)家Derek Lovley和他的同事發(fā)現(xiàn)了一種名為地桿菌的菌屬，這些細菌能將電子從有機物質(zhì)中轉(zhuǎn)移到金屬類化合物中。自那之后，人們開始了解到，許多細菌可以制造出蛋白質(zhì)納米線，將電子傳遞到它們周圍的其他細菌身上或環(huán)境中，而這樣的電子轉(zhuǎn)移可以形成微小的電流。

　　論文的另一位主要作者是電機工程師Jun Yao，多年以來，他一直從事用硅納米線設(shè)計電子設(shè)備。兩年前，Yao 的博士生Xiaomeng Liu在研究傳感器設(shè)備時，發(fā)現(xiàn)了一件匪夷所思的事：孤立的納米線有時會自發(fā)地產(chǎn)生電流。起初他們對此感到很費解，但最后他們發(fā)現(xiàn)，當把納米線薄膜夾在兩塊用金薄片制成的電極之間并且不去管它時，它可以產(chǎn)生至少維持 20 個小時的電流。

　　這種電流是怎么來的？他們在進行了一一排查之后發(fā)現(xiàn)了答案。

　　首先可以確定的是，這些電子不是來自金質(zhì)金屬電極，因為當他們將電極替換成碳質(zhì)材料時，電流仍然出現(xiàn)了，而碳并不是一種現(xiàn)成的電子來源；接著，他們又排除了蛋白質(zhì)納米線本身在分解并釋放電子的可能性；第三個被排除的想法是光以某種方式觸發(fā)了化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致了電子的釋放，但結(jié)果是即使在黑暗的環(huán)境中，蛋白質(zhì)納米線中也可以產(chǎn)生電流；最后，他們將目光鎖定在一個不起眼的因素上，那就是空氣濕度：當他們把納米線放在一個濕度很低的環(huán)境中時，發(fā)現(xiàn)電流顯著減小了。

　　這讓他們確認，將這樣一個空氣發(fā)電機裝置暴露在有水蒸氣的空氣中，是產(chǎn)生電流的一個必要條件。

利用空氣中的濕度產(chǎn)生電能的蛋白質(zhì)納米線薄膜。 圖片來源：UMass Amherst / Yao & Lovley

　　這種空氣發(fā)電機裝置只需一個不到 10 微米厚的蛋白質(zhì)納米線薄膜即可運作，將薄膜置于一片電極上，再讓一個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)部納米線之間的細孔，為在兩個電極之間產(chǎn)生電流創(chuàng)造了條件。他們的研究結(jié)果顯示，雖然這種裝置即使在撒哈拉沙漠那樣的干燥環(huán)境下也能”頑強“發(fā)電，但當空氣濕度為 45% 時，可以收獲最好的效果。

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　　這可能是迄今為止，關(guān)于蛋白質(zhì)納米線的最令人興奮的應(yīng)用了，它開啟了一項新的無污染、可再生、低成本的獲取新能源的可能。在此之前，也曾有其他研究試圖使用如石墨烯等材料從空氣的水蒸氣中獲取能源，但那些裝置都只能短暫地產(chǎn)生少量電流。而在新的蛋白質(zhì)納米線發(fā)電裝置中，這種發(fā)電過程可以持續(xù)兩個月以上，目前其發(fā)電量足以為小型電子設(shè)備提供電力。

　　研究人員希望這項技術(shù)可以很快投入商業(yè)應(yīng)用。接下來，他們計劃研發(fā)出一種小型的空氣發(fā)電機，可以為健身監(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。此外，他們還希望能開發(fā)出適用于手機的空氣發(fā)電機，以解決我們時不時就要給手機充電的困擾。

　　不過，研究人員的最終目標是制造大規(guī)模系統(tǒng)。例如，將這種設(shè)備以某種方式融入到裝修所用的墻漆中，從而讓其為家庭和普通建筑提供電能。研究人員認為，一旦電線生產(chǎn)達到工業(yè)規(guī)模，那么制造出大型系統(tǒng)將不再是紙上談兵，這對于可持續(xù)能源生產(chǎn)來說將是巨大的喜訊。

　　為了繼續(xù)推進生物地桿菌的實際應(yīng)用能力，Lovley 的團隊最近還研發(fā)了一種新的微生物菌株，這種菌株可以更迅速、更廉價地生產(chǎn)大量蛋白質(zhì)納米線。他們將大腸桿菌變成了一個蛋白質(zhì)納米線加工廠，有了這種新的工藝，蛋白質(zhì)納米線的供應(yīng)將不再成為研發(fā)這些應(yīng)用過程的障礙。

　　空氣發(fā)電機的發(fā)現(xiàn)再一次反映跨學(xué)科研究合作的力量。微生物學(xué)家與電機學(xué)家的聯(lián)手，成功地用從地桿菌屬獲取的蛋白質(zhì)納米線制造出了有用的發(fā)電裝置。現(xiàn)在，Yao 的實驗室還正在研發(fā)其他幾種利用蛋白質(zhì)納米線的應(yīng)用，他說：“新的以蛋白質(zhì)為基礎(chǔ)的電子設(shè)備時代才剛剛開始。”

總結(jié)

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