Новый шаг в «зелёной электронике»: наконец-то построен генератор электричества из воздуха

Тридцать лет назад на грязевых берегах реки Потомак учёные обнаружили странный осадочный организм, который умел делать то, что не умели делать другие бактерии. Этот необычный микроб, относящийся к роду Geobacter, вначале был известен своей способностью производить магнетит в отсутствие кислорода, но со временем ученые обнаружили, что Geobacter serreducens может создавать и другие вещи, такие, как бактериальные нанопровода, которые проводят электричество.

В течение многих лет исследователи пытались найти способы с пользой применять этот природный дар. И вот – статья в журнале «Nature» представляет революционное устройство Air-gen, которое, говорит инженер-электрик Цзюнь Яо из Массачусетского университета в Амхерсте, «генерирует чистую энергию 24 часа в сутки».

Air-gen состоит из тонкой пленки из белковых нанопроводов толщиной всего 7 микрометров, расположенных между двумя электродами. Прибор должен находиться на воздухе, под воздействием которого плёнка нанопроволоки способна адсорбировать пары воды, которые существуют в атмосфере, позволяя устройству генерировать непрерывный электрический ток, проводимый между двумя электродами.

Команда говорит, что заряд, вероятно, создается градиентом влажности, который создает диффузию протонов в материале нанопроводка: «Ожидается, что эта диффузия заряда вызовет уравновешивающее электрическое поле или потенциал, аналогичный покоящемуся мембранному потенциалу в биологических системах».

«Поддерживаемый градиент влажности, который принципиально отличается от всего, что наблюдалось в предыдущих системах, объясняет непрерывное выходное напряжение от нашего нанопроволочного устройства», — говорится в статье. Открытие было сделано почти случайно, когда Яо заметил, что устройства, с которыми он экспериментировал, очевидно проводили электричество сами по себе: «Я видел, что когда нанопроволоки определенным образом контактировали с электродами, устройства генерировали ток», — говорит исследователь. Он обнаружил, что воздействие атмосферной влажности имеет большое значение, и что белковые нанонити поглощают воду, создавая градиент напряжения на устройстве».

Предыдущие исследования показали, что выработка гидроэлектрической энергии производится с использованием других видов наноматериалов, таких как графен – но эти попытки в основном производили только короткие импульсы электричества, продолжающиеся, возможно, всего несколько секунд. Напротив, Air-gen вырабатывает постоянное напряжение около 0,5 В с плотностью тока около 17 микроампер на квадратный сантиметр. Это не так много энергии, но команда говорит, что подключение нескольких устройств может генерировать достаточно энергии для зарядки небольших устройств, таких как смартфоны и другая персональная электроника. И это будет возможно с использованием исключительно окружающей влажности, причём даже в таких сухих регионах, как пустыня Сахара.

«Конечная цель заключается в создании крупномасштабных систем», — говорит Яо, объясняя, что в будущем можно использовать эту технологию для питания домов с помощью нанопроволоки, встроенной в краску для стен! «Как только мы перейдем к промышленным масштабам производства проволоки, я ожидаю, что мы сможем создать большие системы, которые внесут существенный вклад в устойчивое производство энергии».

Если и есть препятствие для реализации этого, казалось бы, невероятного потенциала, то это ограниченное количество нанопроволоки, которую производит бактерия. Связанное с этим исследование одного из членов группы — микробиолога Дерека Ловли, который впервые идентифицировал микробы Geobacter в 1980-х годах, — могло бы здесь помочь. Ловли знает, как методом генной инженерии привлечь другие бактерии, такие как Escherichia coli, чтобы выполнить тот же трюк, но в массовых масштабах. «Мы превратим E. coli в фабрику по производству белковых нанопроводов, — говорит Ловли. — Благодаря этому новому масштабируемому процессу поставки белковых нанопроводов больше не будут труднопроходимым местом для разработки устройств».

Когда его лаборатория начала смотреть на белковые нити других видов Geobacter, они были удивлены, обнаружив широкий диапазон проводимости. Например, один вид, извлеченный из загрязненной ураном почвы, произвел слабопроводящие нити. Однако другой вид, Geobacter metallireducens — по совпадению, первый Geobacter, когда-либо изолированный, — изготовил нанопроводок в 5000 раз более проводящий, чем провода G. serreducens. Lovley вспоминает: «Я изолировал металлы из грязи в реке Потомак 30 лет назад, и каждые пару лет это дает нам новый сюрприз».

В своем новом исследовании, поддержанном Управлением военно-морских исследований США, они не изучали напрямую штамм G. metallireducens. Вместо этого они взяли ген для белка, который собирался в него из микробных нанопроводов и вставлял его в G. serreducens. Результатом является генетически модифицированный G. grayreducens, который экспрессирует белок G. metallireducens, что делает нанопроволоки намного более проводящими, чем естественное производство сероредуксов.

Кроме того, Ловли говорит: «Мы обнаружили, что G. grayreducens будет экспрессировать гены нитей из многих бактерий разных типов, что упрощает производство разнообразных нитей в одном микроорганизме и изучение их свойств в аналогичных условиях».

«Благодаря такому подходу мы проводим поиск в микробиологическом мире, чтобы узнать, что там есть в плане полезных проводящих материалов», — добавляет он. «В микробном мире есть огромный резервуар генов филаментов, и теперь мы можем изучать нити, полученные из этих генов, даже если ген происходит от микроба, который никогда не был культивирован».

Исследователи приписывают необыкновенно высокую проводимость нанопроволок G. metallireducens к его большому обилию ароматических аминокислот. Тесно упакованные ароматические кольца, по-видимому, являются ключевым компонентом проводимости микробиологической нанопроволоки, и более ароматические кольца, вероятно, означают лучшие связи для переноса электронов вдоль белковых нитей.

Высокая проводимость нанопроводов G. metallireducens позволяет предположить, что они могут быть привлекательным материалом для построения проводящих материалов, электронных устройств и датчиков для медицинских или экологических применений. Открытие большего количества механизмов нанопроводной проводимости «дает важное представление о том, как мы могли бы сделать еще лучшие провода с генами, которые мы сами разрабатываем».

P.S. Кстати о микробиологии. 24 марта в Киеве состоится интеллектуальный вечер от компании Naukroom «Вторжение. Как микробы управляют нами». Инфекционист Анастасия Замковенко, микробиолог Елена Ливинская и другие учёные обсудят тему короновируса и других микроскопических, но реальных захватчиков в нашей жизни.

__________________________
Читайте нас в телеграм 
https://t.me/granitnauky