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.
Команда исследователей под руководством Цзюнь Яо из Массачусетского университета в Амхерсте разработала метод выделения этих « бактериальные провода», для выявления потенциальных способов их использования, была проведена соответствующая работа. В процессе исследования было установлено, что при размещении между двумя тонкими золотыми пластинами, эти структуры непрерывно генерируют электричество в течение нескольких часов, используя, по сути, «воздух». Более точно, они используют воду: для функционирования системы пластины должны отличаться по размеру, чтобы нанонити могли взаимодействовать с влагой, содержащейся в атмосфере.
В статье, опубликованной в журнале Nature, Яо и его соавторы утверждают, что ток создавался электронами, которые были заимствованы из молекул воды. Получить их из золота было невозможно, так как генерация электричества наблюдалась и при использовании графеновых пластинок, которые не могут выступать в качестве подходящих источников электронов. Высвобождение электронов из молекул белков в процессе их разрушения также исключено: белки сохраняли свою целостность. Зависимость генерации тока от влажности воздуха подтверждается тем, что её снижение приводило к уменьшению электрического тока.
Согласно результатам экспериментов, оптимальная производительность системы наблюдается при влажности примерно 45 процентов. Устройство способно функционировать даже в условиях сухого воздуха, сопоставимого с климатом Сахары. При конденсации воды на верхней поверхности устройства происходит её взаимодействие с белками. Благодаря проводящим и поверхностным свойствам белков вода разлагается на заряженные ионы. Накопление зарядов приводит к возникновению разницы потенциалов, что, в свою очередь, вызывает направленное движение свободных электронов — электрический ток.
Несмотря на то, что многие аспекты этого процесса пока не выяснены и нуждаются в дополнительных исследованиях, ученые уже подтвердили работоспособность устройства под названием Air-gen. Разработанный ими прототип способен непрерывно генерировать напряжение около 0,5 В из атмосферного воздуха. Для достижения необходимой мощности потребуется около 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 характеристики значительно превосходят возможности предшествующих аналогичных разработок. Создатели Air-gen утверждают, что система обладает потенциалом для простого масштабирования до промышленных размеров и широкого применения. Особенно учитывая, что для производства белковых «проводов» в промышленных масштабах не требуется сложная манипуляция Geobacter: уже получены Гены, кодирующие синтез нанонитей, присутствуют в геноме обычной кишечной палочки.
«Основная задача заключается в разработке масштабных систем, — говорит Цзюнь Яо. Например, данную технологию можно включить в состав краски для стен, которая одновременно будет обеспечивать электропитание дома. Также возможно создание автономных генераторов, передающих энергию в общую сеть. Я убежден, что после отработки промышленного производства нанонитей будут разработаны масштабные системы, которые существенно повлияют на прогресс возобновляемой энергетики».