Устройство может помочь смягчить последствия изменений климата и обеспечивать энергией небольшие устройства.
Графическое изображение тонкой пленки белковых нановолокон, вырабатывающих электричество из атмосферной влажности.
Ученые из Университета Массачусетса в Амхерсте разработали устройство, использующее природный белок для выработки электричества из влаги в воздухе. По их словам, новая технология может иметь значительные последствия для будущего использования возобновляемых источников энергии, изменения климата и будущее медицины. По сообщениям Nature, инженерами-электриками Цзюня Яо и микробиолога Дерека Ловли из UMass Amherst создано устройство, которое они называют «Air-gen» Воздушный генератор с электропроводящими белковыми нанотрубками, произведенными микробом Geobacter. Air-gen соединяет белковые электроды таким образом, что электрический ток генерируется водяным паром, естественно присутствующим в атмосфере.
«Мы буквально производим электричество из воздуха», - говорит Яо. «Air-gen генерирует чистую энергию 24 часа в сутки». Лавли, который в течение трех десятилетий разрабатывал электронные материалы на основе устойчивой биологии, добавляет: «Это самое удивительное и захватывающее применение белковых нанотрубок».
Новая технология, разработанная в лаборатории Яо, является экологически чистой, возобновляемой и недорогой. Она может генерировать электроэнергию даже в районах с чрезвычайно низкой влажностью, таких как пустыня Сахара. По словам Ловли, генератор обладает значительными преимуществами по сравнению с другими видами возобновляемой энергии, в том числе солнечной и ветровой, поскольку, в отличие от этих других возобновляемых источников энергии, Air-gen не требует солнечного света или ветра, и «он даже работает в помещении».
Исследователи объясняют, что для устройства Air-gen требуется только тонкая пленка белковых нановолокон толщиной менее 10 микрон. Нижняя часть пленки опирается на электрод, в то время как меньший электрод, который покрывает только часть пленки, находится сверху. Пленка адсорбирует водяной пар из атмосферы. Комбинация электропроводности и химического состава поверхности белковых нанотрубок в сочетании с мелкими порами между ними в пленке создает условия, которые генерируют электрический ток между двумя электродами.
Air-gen может питать небольшие устройства.
Исследователи говорят, что нынешнее поколение устройств Air-gen способно питать малую электронику и они рассчитывают вскоре вывести изобретение на коммерческий уровень. Следующие шаги, которые они планируют осуществить, включают разработку небольшого Air-gen, который сможет питать электронные носимые устройства, такие как мониторы здоровья и фитнеса, а также умные часы, что устранит потребность в традиционных батареях. Они также надеются разработать Air-gen для мобильных телефонов, чтобы исключить периодическую зарядку.
Яо говорит: «Конечная цель - создание крупномасштабных систем. Например, технология может быть включена в краску для стен, которая может дополнять источники энергии в доме. Или мы можем разработать автономные генераторы с пневматическим приводом, которые подают электричество от сети. Когда мы перейдем к промышленным масштабам производства волокон, я полностью ожидаю, что мы сможем создать большие системы, которые внесут существенный вклад в устойчивое производство энергии».
Продолжая развивать практические биологические возможности Geobacter, лаборатория Ловли недавно разработала новый микробный штамм для более быстрого и недорогого массового производства белковых нановолокон. «Мы превратили E. coli в фабрику по производству белковых нановолокон», - говорит он. «Благодаря этому новому масштабируемому процессу поставки белковых компонентов больше не будут узким местом для разработки этих устройств».
Открытие Air-gen отражает необычное междисциплинарное сотрудничество, говорят они. Ловли обнаружил микроба Geobacter в грязи реки Потомак более 30 лет назад. Позднее его лаборатория обнаружила его способность производить электропроводящие белковые нановолокна. До прихода в UMass Amherst - Яо много лет проработал в Гарвардском университете, где разрабатывал электронные устройства с кремниевыми нанотрубками. Они объединили свои усилия, чтобы посмотреть, можно ли создать полезные электронные устройства из белковых соединений, собранных у Geobacter .
Сяомен Лю, доктор философии студент в лаборатории Яо разрабатывал сенсорные устройства, когда заметил что-то неожиданное. Он вспоминает: «Я видел, когда нановолокна определенным образом контактировали с электродами, устройства генерировали ток. Я обнаружил, что воздействие атмосферной влажности имеет важное значение, и что белковые соединения адсорбируют воду, создавая градиент напряжения на устройств».
В дополнение к Air-gen лаборатория Яо разработала несколько других приложений с белковыми составляющими. «Это только начало новой эры электронных устройств на основе белка», - сказал Яо.
Исследование было поддержано частично из начального фонда через Управление коммерциализации технологий и венчурных предприятий в UMass Amherst и фонды научных исследований из Колледжа естественных наук кампуса.
--
(С) Фотографии любезно предоставлены лабораториями UMass Amherst / Yao и Lovley.