Ученые из Массачусетского университета 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 возобновляемых источников энергии, изменения климата и будущего медицины.
[penci_related_posts title=»Вам также может быть интересно» number=»4″ style=»list» align=»none» displayby=»cat» orderby=»random»]
Как сообщалось в журнале Nature, лаборатории инженера-электрика Цзюня Яо и микробиолога Дерека Ловли из UMass Amherst создали устройство, которое они называют «Air-gen» или воздушным генератором, с электропроводящими белковыми нанопроводами, производимыми микробом Geobacter. Air-gen соединяет электроды с белковыми нанопроводами 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 более трех десятилетий разрабатывает электронные материалы на основе устойчивой биологии, добавляет: «Это самое удивительное и захватывающее применение белковых нанопроводов».
Новая технология, разработанная в лаборатории Яо, является экологически чистой, возобновляемой и недорогой. Он может генерировать электроэнергию даже в районах с чрезвычайно низкой влажностью, таких как пустыня Сахара. По словам Ловли, она обладает значительными преимуществами по сравнению с другими видами возобновляемой энергии, в том числе солнечной и ветровой, поскольку, в отличие от других источников возобновляемой энергии, Air-gen не требует солнечного света или ветра и «работает даже в помещении».
Исследователи объясняют, что для устройства Air-gen требуется только тонкая пленка белковых нанопроводов толщиной менее 10 микрон. Нижняя часть пленки опирается на электрод, в то время как меньший электрод, который покрывает только часть пленки нанопроволоки, находится сверху. Пленка адсорбирует водяной пар из атмосферы. Комбинация электропроводности и химического состава поверхности белковых нанопроводов в сочетании с мелкими порами между нанопроводами в пленке создает условия, которые генерируют электрический ток между двумя электродами.
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 включить, включают разработку небольшого «патча» Air-gen, который может 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-gens для мобильных телефонов, чтобы исключить периодическую зарядку.
Яо говорит: «Конечная цель — создать крупномасштабные системы. Например, эта технология может быть включена в краску для стен, которая может помочь в электропитании вашего дома. Или мы можем разработать автономные генераторы с пневматическим приводом, которые подают электричество от Как только мы перейдем к промышленным масштабам производства проволоки, 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 нанопроводов. «Мы превратили E. coli в фабрику по производству белковых нанопроводов», — говорит он. «Благодаря этому новому масштабируемому процессу поставки белковых нанопроводов больше не будут узким местом для разработки этих приложений».
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 нанопроволоки. До прихода в UMass Amherst Яо много лет проработал в Гарвардском университете, где разрабатывал электронные устройства с кремниевыми нанопроводами. Они объединили свои усилия, чтобы посмотреть, можно ли создать полезные электронные устройства из белковых нанопроводов, собранных у Geobacter.
Сяомен Лю, доктор философии студент в лаборатории Яо разрабатывал сенсорные устройства, когда заметил что-то неожиданное. Он вспоминает: «Я видел, что, когда нанопроволоки контактировали с электродами особым образом, устройства генерировали ток. Я обнаружил, что воздействие атмосферной влажности является существенным и что белковые нанопроволоки адсорбируют воду, создавая градиент напряжения на устройстве».
В дополнение к Air-gen лаборатория Яо разработала несколько других приложений с белковыми нанопроводами. «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.