Учёные из Массачусетского университета в Амхерсте создали генератор, который работает от естественной влажности воздуха. Он вырабатывает небольшой, но постоянный ток благодаря белковым нанопроволокам, позаимствованным у бактерий.
Удивительный результат был опубликован в самом престижном в мире научном журнале Nature группой во главе с Цзюнь Яо (Jun Yao).
Разные исследовательские группы и раньше демонстрировали устройства, генерирующие электричество при контакте с влагой (причём физические механизмы этого явления только изучаются). Так, авторы приводят ссылки на шесть научных работ на эту тему. Но до сих пор дело ограничивалось относительно короткими (менее 50 секунд) электрическими импульсами.
Всё изменилось благодаря бактерии Geobacter sulfurreducens. Она производит белковые нити нанометровой толщины. Если такую нить поместить между электродами, то, как выяснили экспериментаторы, по ней самопроизвольно протекает электрический ток.
Как известно, ток – это упорядоченный поток заряженных частиц, обычно электронов. Но откуда в белковом "проводе" берутся подвижные электроны и разность потенциалов, приводящая их в движение?
Проведя серию опытов, физики установили, что этот факт не зависит от материала электродов. Значит, он не может являться "поставщиком" электронов. Исключили они и возможность, что сам "провод" постепенно разрушается, высвобождая электроны. Освещение тут тоже оказалось ни при чём, ведь устройство работало и в темноте. А вот когда учёные поместили его в помещение с меньшей влажностью воздуха, сила тока заметно уменьшилась.
Дальнейшие изыскания привели исследователей к выводу, что белковые нити поглощают влагу из воздуха, при этом создавая самоподдерживающийся перепад влажности между разными концами нити. Часть молекул воды распадается на ионы и электроны, которые и образуют ток.
Лучше всего эта схема работает при влажности 45%. Но она продолжает функционировать даже в сухом как в пустыне или, напротив, предельно влажном воздухе.
Напомним, что "рабочей лошадкой" нового устройства является плёнка из белковой нанопроволоки, произведённой G. sulfurreducens. Под ней и над ней располагаются электроды, причём верхний закрывает только часть плёнки, чтобы не мешать ей впитывать влагу.
Слой толщиной семь микрометров генерирует напряжение 0,5 вольта и плотность тока около 17 микроампер на квадратный сантиметр. Как полагают авторы, здесь роль играет химический состав и электропроводность нитей, а также наличие между ними пор.
Соединив несколько таких элементов, можно увеличить напряжение и ток. 17 таких устройств обеспечат напряжение в 10 вольт. Это очень хороший показатель: такого напряжения достаточно для питания смартфона.
Полученный генератор авторы назвали Air-gen.
"Мы буквально производим электричество из воздуха, – заявляет Яо. – Air-gen генерирует [экологически] чистую энергию 24 часа в сутки".
У разработчиков, разумеется, большие планы по внедрению технологии. Так, они надеются создать "вечные батарейки" для носимой электроники. Также электрогенерирующей плёнкой можно было бы покрывать стены домов.
"Узким местом" здесь может оказаться разве что сама исходная G. sulfurreducens, которую неудобно выращивать для производства нановолокон. Поэтому исследователи уже создали генетически модифицированную палочку E. coli, порождающую такие же нити. Об этом они сообщили в научной публикации, препринт которой размещён на сайте biorXiv.org.
"Это только начало новой эры электронных устройств на основе белка", – уверен Яо.
Впрочем, открывать шампанское пока рано. Механизм работы Air-gen не изучен досконально, и, возможно, с ним не всё так просто.
Поясним, что существует фундаментальный физический закон, который называется вторым законом термодинамики. В числе прочего он гласит, что любой генератор энергии работает на перепаде температур или других физических величин.
Например, солнечная батарея функционирует благодаря тому, что её поверхность холоднее Солнца, а антисолнечная – за счёт того, что она теплее открытого космоса. Какой перепад обеспечивает работу Air-gen, и как долго он в действительности способен поддерживать генерацию? От ответа на этот, видимо, не вполне прояснённый группой Яо вопрос зависит будущее технологии.
В любом случае выводы и экспериментальные схемы авторов должны пройти всестороннюю проверку другими научными группами, прежде чем можно будет говорить о новом слове в энергетике.
К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о том, как работают батареи на живых бактериях, в том числе и солнечные.
