用空气发电

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2020年2月，美国马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校的研究团队研发出了一种装置——空气发电机，并在《自然》期刊上发表了论文。该装置由硫还原地杆菌产生的一种蛋白质纳米线制成，凭借空气中的水分就能成功发电。

15年前，论文的作者之一、微生物学家德里克·洛弗发现，地杆菌能将电子从有机物质中转移到铁氧化物等金属类化合物中，这样的电子转移可以产生微小的电流。地杆菌是一种非常重要的异化Fe（Ⅲ）还原菌，广泛分布于Fe（Ⅲ）还原环境里，具有重要的生物修复功能。这一发现，为研发空气发电机奠定了基础。

论文的另一个作者姚军是一名电机工程师，多年来一直从事用硅胶纳米线设计电子设备。两年前，姚教授的学生刘晓萌在研究传感器设备时发现，孤立的蛋白质纳米线会自发地产生电流。当把纳米线薄膜夹在两块用金属薄片制成的电极之间时，可以产生至少维持20个小时的电流。那么，这种电流是怎么产生的呢？

经过排查确定，这些电子不是来自金质金属电极，也不是蛋白质纳米线自身分解并释放的，更不是光以某种方式触发化学反应而产生的，而是空气湿度在作怪：电流大小会随着空气湿度的变化而变化。当湿度为45%时，电流效果最好。不过，即便是在极为干燥的地方也一样能发电，比如撒哈拉沙漠。这说明空气中的濕度促成了蛋白质纳米线的电子释放，纳米线的化学属性能吸引空气中的水汽。

于是，研究团队决定将这一发现应用到空气发电机的研制中，其发电过程的驱动力，正是薄膜暴露在空气中时膜内自然形成的湿度梯度变化。研究团队把从地杆菌里收获的蛋白质纳米线制成薄膜装置，装置只需要一个不到10微米厚的薄膜，将薄膜置于一片电极上，再让一个更小的只能部分覆盖纳米线薄膜的电极置于薄膜的上方，薄膜便会从大气中吸收水蒸气：蛋白质纳米线的导电性，加上蛋白质表面的化学性质，再结合薄膜内部纳米线之间的细孔，为两个电极之间产生电流创造了条件。在7微米厚的薄膜上，能产生约0.5伏的持续电压，电流密度约为每平方厘米17微安。若将多个薄膜装置连接起来，线性地放大电压和电流，即可向电子设备供电。

与此同时，为了继续推进地杆菌的实际应用能力，研究团队最近还研发出了一种新的微生物菌株。他们把大肠杆菌变成了蛋白质纳米线的工厂，可以更快、更便宜地大量生产蛋白质纳米线。

这种空气发电机能够7天7夜不间断地发电，产生清洁能源。这项新的技术不受地点、气候等环境因素的限制，将对可再生能源、医学及气候变化产生重要影响。

目前，空气发电机的发电量足以为小型电子设备提供电力，研究团队希望这项技术可以很快投入商业应用。下一步，他们计划研发出一种小型的空气发电机“贴片”，为健身监测器、智能手表等可穿戴电子设备提供电力，消除这些设备对传统电池的依赖。

不过，研究团队的最终目标是制造大规模的系统，如将空气发电机以某种方式融入装修所用的墙漆中，从而为家庭和普通建筑提供电能。他们认为，一旦这一技术达到工业生产规模，那么制造出大型系统将不再是纸上谈兵，这对可持续清洁能源生产来说将是巨大的喜讯。