Электричество из атмосферы: ученые использовали белковые «нанопровода»

Новости МирТесен

Нанонити из белков, расположенные между электродами, продемонстрировали возможность постоянного получения электроэнергии из влаги, содержащейся в воздухе.

Открытые в конце 1980-х почвенные бактерии Geobacter впервые обратили на себя внимание необычной способностью производить магнитные кристаллы железа при нехватке кислорода. Дальнейшее изучение этих микробов показало, что они используют электричество для окисления и утилизации органических веществ, а для создания направленного движения электронов производят проводящие ток «нанонити» из белковых молекул.

Специалисты из Массачусетского университета в Амхерсте под руководством профессора Цзюнь Яо (Jun Yao) разработали метод выделения этих « бактериальные проводаИсследователи продолжили работу, стремясь определить потенциальные возможности их применения на практике. В процессе этих исследований было установлено, что при размещении между двумя тонкими пластинами золота эти нанонити способны непрерывно – в течение нескольких часов – генерировать электричество из окружающей среды. Более точно, для функционирования системы необходимо, чтобы пластины имели различную площадь поверхности, обеспечивая взаимодействие части нанонитей с влагой, присутствующей в воздухе.

В статье, опубликованной в журнале Nature, согласно заявлению Яо и его коллег, электроны, генерирующие ток, были заимствованы из молекул воды. Использование золота для этой цели было невозможно, так как генерация электричества наблюдалась даже при применении графеновых пластинок, которые не могут выступать в качестве подходящих источников электронов. Высвобождение электронов из молекул белков в процессе их распада также исключено, поскольку белковые структуры сохранялись неизменными. При этом уменьшение влажности окружающего воздуха оказывало негативное влияние на интенсивность генерации тока.

Проведенные исследования выявили, что оптимальная эффективность работы системы достигается при влажности приблизительно 45 процентов. При этом устройство способно функционировать и в условиях сухого климата, сопоставимого с условиями, характерными для Сахары. Испаряясь на верхней поверхности устройства, вода взаимодействует с белками. Благодаря своим проводящим и поверхностным характеристикам, белки обеспечивают расщепление воды на заряженные ионы. Накопление зарядов приводит к возникновению разности потенциалов и направленному движению свободных электронов, что является основой для возникновения электрического тока.

Несмотря на значительный прогресс, многие аспекты этого процесса остаются неясными и нуждаются в дополнительных исследованиях. Тем не менее, ученые уже успешно продемонстрировали работоспособность устройства под названием Air-gen. Созданный ими прототип обеспечивает непрерывную генерацию энергии из воздуха, порядка 0,5 В: приблизительно 17 таких прототипов могли бы запитать мобильный телефон. По словам авторов, система поддерживала необходимый градиент влажности в слое белковых нанонитей и непрерывно работала в течение более чем двух месяцев.

Эти показатели значительно превосходят возможности существующих аналогов. Разработчики Air-gen выражают уверенность в том, что система может быть легко увеличена до промышленного масштаба и нашла широкое применение. Более того, для производства белковых «проводов» в промышленных условиях не требуется сложная манипуляция с нестабильными Geobacter: уже полученыБыли созданы генетически модифицированные штаммы кишечной палочки, обладающие способностью к синтезу подобных нанонитей.

Главная задача заключается в создании масштабных систем, говоритзаявил Цзюнь Яо. — Подобные технологии могут быть внедрены, например, в состав краски для стен, которая одновременно будет обеспечивать электроснабжение дома. Альтернативным вариантом является разработка автономных генераторов, передающих энергию в общую электрическую сеть. Я убежден, что после отладки промышленного производства нанонитей будут созданы и масштабные системы, которые окажут значительное влияние на развитие возобновляемых источников энергии».