生物電池——活的新能源

涂　皘

電池——在生活中我們?cè)缫阉究找?jiàn)慣，干電池、手機(jī)里的鋰電池、紐扣大小的伏打電池……總的來(lái)說(shuō)，它們帶著無(wú)機(jī)質(zhì)的冷硬，和生物搭不上關(guān)系。但是現(xiàn)在，科學(xué)家們盯上了病毒和細(xì)胞，試圖將生物的特性和能量用到電池上來(lái)。不久的將來(lái)，電池家族或許會(huì)擴(kuò)充自己的成員表，迎來(lái)一些充滿活力的新家伙。

病毒與電池的“聯(lián)姻”

病毒和電池，這兩個(gè)看似風(fēng)馬牛不相及的東西卻在科學(xué)家們的手中“聯(lián)了姻”，病毒電池因此孕育而生。

通常，電池是由一正一負(fù)兩個(gè)極性相反的電極以及電極之間間隔的電解質(zhì)溶液所組成。就拿常見(jiàn)的紐扣電池（銀鋅電池）為例，形如圓紐扣的電池一面為正極，填充有氧化銀（Ag2O）和少量石墨等活性材料；另一面為負(fù)極，填充有鋅汞合金作為活性材料；正負(fù)極間的電解質(zhì)為濃氫氧化鉀溶液（KOH）。

傳統(tǒng)的鋰電池多采用碳電極，相對(duì)于它們提供的能量而言，碳電極“身材肥碩”。為了給電極瘦身，美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員把目光鎖定在了一種名叫M13的噬菌體身上。

M13噬菌體“纖細(xì)苗條”，是一種體寬僅6納米的長(zhǎng)管狀病毒。通過(guò)基因工程的改造，研究人員賦予M13噬菌體一項(xiàng)本領(lǐng)——吸附金屬離子。當(dāng)研究人員把它們浸入含有鈷離子和金離子的溶液中時(shí)，病毒表面便會(huì)迅速聚合起一層均勻的金屬化合物結(jié)晶。于是，M13噬菌體就變成了一根細(xì)長(zhǎng)的金屬“導(dǎo)線”。

受此啟發(fā)，研究人員將這種“導(dǎo)線”進(jìn)一步改裝。他們把一片聚合體電解質(zhì)薄膜放入M13噬菌體溶液中，待病毒鋪滿薄膜表面后，再將其浸入含有鈷離子和金離子的溶液中。這樣，取出的透明薄膜上便“鍍”了一層氧化鈷和金——這種高能量密度的薄膜比我們的頭發(fā)還細(xì)40倍，卻是制造超輕型薄膜電池的極佳材料。用它制作電池，體積只有米粒大小，但蘊(yùn)含的電量并沒(méi)有因?yàn)椤吧聿摹钡年P(guān)系而打折扣；相反，它所含有的電量是現(xiàn)在普通鋰電池的2~3倍。

研究人員興奮地表示，雖然現(xiàn)在研制成功的只是電池的正極，但是他們會(huì)如法炮制電池的負(fù)極，以便盡快開(kāi)發(fā)病毒電池。可以預(yù)見(jiàn)，這種電池便于安置在任何空間，用途將極為廣泛。

細(xì)胞也能“發(fā)電”

其實(shí)，麻省理工學(xué)院的專家只是利用改良后M13噬菌體的特性來(lái)制造電池，M13噬菌體本身并沒(méi)有“發(fā)電”。可是在動(dòng)植物細(xì)胞里，卻有著與生俱來(lái)的產(chǎn)能裝置：葉綠體和線粒體。動(dòng)植物正常生命活動(dòng)所需的能量都是葉綠體和線粒體“發(fā)電”的功勞呢！

活細(xì)胞是如何“發(fā)電”的？從生物學(xué)角度看，活細(xì)胞是通過(guò)“吃糖”或“曬太陽(yáng)”等方式獲得能量的。但從物理學(xué)的角度看，所有細(xì)胞獲得的能量歸根結(jié)底都是由在原子和分子間極速穿梭往來(lái)的電子提供的。這給科學(xué)家們一個(gè)啟示：倘若運(yùn)用仿生學(xué)原理來(lái)模擬細(xì)胞“發(fā)電”的生理過(guò)程，其應(yīng)用前景必將不可估量。

美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)的科學(xué)家們就依此原理制造了世界上首個(gè)仿生光合能量系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)模仿生物的光合作用，把光能捕捉住，然后轉(zhuǎn)變成為人們可以使用的能量。無(wú)獨(dú)有偶，美國(guó)加州大學(xué)柏克萊分校的卡爾文博士發(fā)明了人造葉綠體。一般情況下，綠色植物的葉綠體在光合作用過(guò)程中制造氫氣的效率只有4％，而人造葉綠體把這個(gè)數(shù)字提高了整整7.5倍，達(dá)到了30％！產(chǎn)生的氫氣可以為車輛供能、為家庭供電，甚至可以通過(guò)電池發(fā)電，且不會(huì)帶來(lái)任何污染。

生物電池比傳統(tǒng)電池更高效、環(huán)保，這些“活”的能源，不僅代表著生命的能量，也預(yù)示著人類未來(lái)的能源藍(lán)圖。