最简单的用磁铁发电(几乎可以凭空发电的技术)

Posted 2023-05-29

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在30多年前，他们从波多马克河的泥泞海岸上挖出了：一种奇怪的“沉积生物”，具有已知细菌前所未有的功能。

这种不寻常的微生物是地杆菌属Geobacter genus，最初因可在无氧条件下制造磁铁矿的能力而闻名，但随着时间推移，科学家们发现它也可以制造其他东西，例如导电的细菌纳米线。

多年以来，为了有效利用这种大自然的礼物，研究人员一直在苦苦摸索，最终捣鼓出一台被称为Air-gen的设备。根据该团队的说法，他们的设备可以从…中产生电能，嗯，几乎无中生有。

马萨诸塞州阿默斯特大学的电气工程师Jun Yao说：“我们实际上是在凭空发电。Air-gen可以产生24/7的清洁能源。”

这种说法听起来似乎有些夸大其词，但Yao和团队的一项新研究描述了这种空气能发电机——仅需要存在空气的环境。这全都归功于Geobacter生产的导电蛋白质纳米线。

Air-gen由仅7微米厚的蛋白质纳米线薄膜组成，位于两个电极之间，暴露在空气中。因此纳米线膜能够吸收大气中存在的水蒸气，从而使该装置能够产生在两个电极之间传导的连续电流。

研究人员说，电荷可能是由水分梯度产生的，水分梯度会在纳米线材料中产生质子扩散。

论文中解释说：“这种电荷的扩散有望制造出一个平衡的电场或类似于生物系统中静止膜电位的电位。维持水分梯度，这与以前的系统有根本不同，是我们的纳米线器件的连续电压输出的原因。”

这个发现几乎完全出于偶然，Yao注意到他正在试验的设备似乎完全自发地产生电流。

“我看到，当纳米线以特定方式与电极接触时，设备会产生电流。我发现暴露于大气湿度中是必不可少的条件，蛋白质纳米线会吸附水，从而在整个器件上产生电压梯度。”

先前的研究表明，使用其他种类的纳米材料(例如石墨烯)也可进行水梯度发电，但这些尝试在很大程度上仅产生了短暂的爆发性电流，可能仅持续几秒钟。

相比之下，Air-gen产生的持续电压约为0.5伏，电流密度约为每平方厘米17微安。能量消耗不大，但研究小组表示，连接多个设备可以产生足够的电力，可以为智能手机和其他个人电子设备等小型设备充电——几乎没有浪费，而且仅需要环境湿度(即使在撒哈拉沙漠这样干燥的地区也能满足)。

Yao说：“最终目标是制造大型系统。”他解释说，未来的努力方向可能是使用该技术将纳米线结合到墙面涂料中来为房屋供电。“一旦我们达到线材生产的工业规模，我完全可以预期到，我们制造出大型系统，这将对可持续能源生产做出重大贡献。”

如果说现实存在的制约，那就是微生物代谢过程中产生的纳米线的数量有限。

相关研究——微生物学家Derek Lovley早在1980年代就发现了Geobacter微生物——可以解决此问题：对其他微生物(例如大肠杆菌)进行基因工程改造，获得大量生产的性状。

“我们把大肠杆菌变成了蛋白质纳米线工厂，” Lovley说，“通过这种新的可扩展流程，蛋白质纳米线的供应将不再成为瓶颈。”

研究结果发表在《自然》上。

本文译自 sciencealert，由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。