Графично изображение на тънък филм от протеинови нанопроводници, генериращи електричество от атмосферната влага.

Изследователите на UMass Amherst казват, че устройството може да прави електричество буквално само от въздух. 

Преди повече от три десетилетия, погребан в калните брегове на река Потомак, е открит необичаен микроб, принадлежащ към  рода Geobacter, странен „седимен организъм“, който може да прави неща, които никой досега не бе виждал при бактериите, пише OFFNews.

Първо е забелязана способността му да произвежда магнетит при липса на кислород, но с времето учените откриват, че може да прави и други неща, като бактериални нанопроводници, които провеждат електричество.

От години изследователите се опитват да измислят начини за полезно употреба на този естествен дар и може би вече успяха с устройство, което наричат ​​Air-gen. Според екипа устройството им може да създава електричество от… е, почти нищо.

"Ние буквално произвеждаме електричество от въздуха", отбелязва електроинженерът Дзюн Яо (Jun Yao) от Университета в Масачузетс Амхерст. "Air-gen генерира чиста енергия 24/7."

Твърдението може да звучи като самохвалство, но ново проучване, публикувано в списание Nature на Яо и неговия екип описва как генераторът, работещ с въздух, наистина може да създава електричество без нищо друго освен наличието на въздух. Всичко е благодарение на електропроводимите протеинови нанопроводници, произведени от бактерията G. sulfuriucens, в този случай.

Устройството Air-gen се състои от тънък филм от протеиновите нанопроводници с дебелина само 7 микрометра, разположен между два електрода, но също така изложен на въздух, обясняват изследователите. Дъното на филма се опира на електрод, докато по-малък електрод, който покрива само част от филма отгоре. Филмът адсорбира водната пара от атмосферата, което позволява на устройството да генерира непрекъснат електрически ток, провеждан между двата електрода. Комбинацията от електропроводимостта и химическите свойства на повърхността на протеиновите нанопроводници, съчетана с фините пори между нанопроводите във филма, създава условията, които генерират електрически ток между двата електрода.

"Тази дифузия на заряда се очаква да предизвика балансиращо електрическо поле или потенциал, аналогичен на потенциала на мембраната в покой в ​​биологичните системи", обясняват авторите в своето проучване .

"Поддържаният градиент на влагата, който е коренно различен от всичко, което се вижда в предишните системи, обяснява непрекъснатото изходно напрежение от нашето нанопроводниково устройство."

Откритието е направено почти случайно.

"Видях, че когато нанопроводниците са в контакт с електроди по специфичен начин, устройството генерира ток", разказва Яо.

„Установих, че излагането на атмосферна влага е от съществено значение и че протеиновите нанопроводници адсорбират водата, създавайки градиент на напрежението в устройството.“

„Това е най-невероятното и вълнуващо приложение на протеиновите нанопроводници досега“. коментира член на екипа - микробиологът Дерек Лавли (Derek Lovley), който за пръв път идентифицира микробактериите Geobacter през 80-те години на миналия век.

Предишни изследвания, използващи други видове наноматериали - като графен - до голяма степен произвеждат само кратки изблици на електричество, продължаващи само секунди.

За разлика от тях, Air-gen произвежда устойчиво напрежение от около 0,5 волта, с плътност на тока от около 17 микроампера на квадратен сантиметър. Това не е много енергия, но екипът коментира, че ако се свържат няколко устройства би могло да генерира достатъчно енергия за зареждане на малки устройства като смартфони и друга електроника - изцяло без отпадъци и без да се използва нищо друго, освен влажността на околната среда.

Новата технология, разработена в лабораторията на Яо, не е замърсяваща, тя е възобновяема и евтина. Тя може да генерира енергия дори в райони с изключително ниска влажност, като пустинята Сахара. Тя има значителни предимства пред други форми на възобновяема енергия, включително слънчевата и вятърната, коментира Лавли, тъй като за разлика от тези други възобновяеми енергийни източници, Air-gen не се нуждае от слънчева светлина или вятър и „дори работи на закрито“.

Изследователите отбелязват, че сегашното поколение устройства Air-gen могат да захранват малка електроника и очакват скоро да направят изобретението годно за пазара. Следващите стъпки, които планират, включват разработване на малка „лепенка“ Air-gen, която може да захранва медицинска носима електроника и различни фитнес-приспособления, следящи показателите на физическата активност и здравето, както и интелигентни часовници, което ще премахне нуждата от традиционните батерии. Те също така се надяват да разработят Air-gens, които да се прилагат в мобилни телефони, които не се нуждаят от периодичното зареждане.

"Крайната цел е да се създадат мащабируеми системи", отбелязва Яо, обяснявайки, че бъдещите разработки могат да използват технологията за захранване на къщи чрез протеинови нанопроводници, включени в боята за стените им.

"След като стигнем до индустриален мащаб за производството на протеинови нанопроводници, очаквам уверено, че можем да направим големи системи, които ще допринесат съществено за устойчивото производство на енергия."

Според микробиолога Лавли технологията може да стане много по-ефективна, ако се приложи генетично инженерство върху други по-продуктивни бактерии, като E. coli.

Продължавайки да усъвършенства практическите възможности на бактерии, лабораторията на Лавли наскоро разработи нов микробен щам за по-бързо и евтино масово производство на протеинови нанопроводници.

„Превърнахме E. coli във фабрика за протеинови нанопроводници“, казва Лавли. 

"С този нов мащабируем процес доставките на протеинови нанопроводници вече няма да бъдат тясно място за разработването на тези приложения".

Освен Air-gen, лабораторията на Яо разработва още няколко приложения с протеиновите нанопроводници.

"Това е само началото на новата ера на протеинови електронни устройства", заявява Яо.

Справка: Power generation from ambient humidity using protein nanowires, Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2010-9 , https://nature.com/articles/s41586-020-2010-9

Източници:

Scientists Built a Genius Device That Generates Electricity 'Out of Thin Air', sciencealert

New green technology generates electricity 'out of thin air', University of Massachusetts Amherst