用空氣發電

文/簡愛

2020年2月，美國馬薩諸塞大學阿姆赫斯特分校的研究團隊研發出了一種裝置——空氣發電機，并在《自然》期刊上發表了論文。該裝置由硫還原地桿菌產生的一種蛋白質納米線制成，憑借空氣中的水分就能成功發電。

15年前，論文的作者之一、微生物學家德里克·洛弗發現，地桿菌能將電子從有機物質中轉移到鐵氧化物等金屬類化合物中，這樣的電子轉移可以產生微小的電流。這一發現，為研發空氣發電機奠定了基礎。

論文的另一個作者姚軍是一名電機工程師，多年來一直從事用硅膠納米線設計電子設備。兩年前，姚教授的學生劉曉萌在研究傳感器設備時發現，孤立的蛋白質納米線會自發地產生電流。當把納米線薄膜夾在兩塊用金屬薄片制成的電極之間時，可以產生至少維持20個小時的電流。那么，這種電流是怎么產生的呢？

經過排查確定，這些電子不是來自金質金屬電極，也不是蛋白質納米線自身分解并釋放的，更不是光以某種方式觸發化學反應而產生的，而是空氣濕度在作怪：電流大小會隨著空氣濕度的變化而變化。當濕度為45%時，電流效果最好。不過，即便是在極為干燥的地方也一樣能發電，比如撒哈拉沙漠。這說明空氣中的濕度促成了蛋白質納米線的電子釋放，納米線的化學屬性能吸引空氣中的水汽。

于是，研究團隊決定將這一發現應用到空氣發電機的研制中，其發電過程的驅動力，正是薄膜暴露在空氣中時膜內自然形成的濕度梯度變化。研究團隊把從地桿菌里收獲的蛋白質納米線制成薄膜裝置，裝置只需要一個不到10微米厚的薄膜，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，薄膜便會從大氣中吸收水蒸氣：蛋白質納米線的導電性，加上蛋白質表面的化學性質，再結合薄膜內部納米線之間的細孔，為兩個電極之間產生電流創造了條件。若將多個薄膜裝置連接起來，線性地放大電壓和電流，即可向電子設備供電。

這種空氣發電機能夠7天7夜不間斷地發電，產生清潔能源。這項新的技術不受地點、氣候等環境因素的限制，將對可再生能源、醫學及氣候變化產生重要影響。