Необычный микроб, принадлежащий к семейству Geobacter, впервые прославился своей способностью производить магнетит (природный оксид железа), причем в отсутствие кислорода. Но со временем ученые обнаружили, что он может создавать и другие вещи. Например, бактериальные нанопроволоки, которые проводят электричество.
В течение многих лет ученые пытались найти способ использовать с пользой природный дар микроба, и наконец добились своего, разработав устройство Air-gen способное вырабатываеть электричество из… почти ничего. «Мы буквально производим электричество из воздуха, — говорит инженер-электрик Цзюнь Яо из Массачусетского университета в Амхерсте. — Air-gen генерирует чистую энергию 24 часа в сутки».
Заявление кажется слишком громким, но Яо и его команда описали процесс выработки электричества генератором с воздушным приводом. И все это благодаря электропроводящим белковым нанопроводам, полученных с помощью микроба Geobacter (G. sulfurreducens, в данном случае).
Air-gen состоит из тонких пленок, сотканных из белковых нанопроводов толщиной всего 7 микрометров, и расположенных между двумя электродами, подвешенными в воздухе. Пленка нанопроволоки способна адсорбировать пары воды, присутствующие в атмосфере, позволяя устройству генерировать непрерывный электрический ток между двумя электродами. Заряд, вероятно, создается градиентом влажности, который создает диффузию протонов (взаимное проникновение) в материале нанопроволоки.
«Эта диффузия заряда вызовет уравновешивающее электрическое поле или потенциал, аналогичный покоящемуся мембранному потенциалу в биологических системах, — объясняют как могут авторы изобретения в своем исследовании. — Поддерживаемый градиент влажности, который принципиально отличается от всего, что наблюдалось в предыдущих системах, объясняет непрерывное выходное напряжение от нашего нанопроволочного устройства».
Открытие было сделано практически случайно, когда Яо заметил, что устройства, с которыми он экспериментировал, давали электричество. «Я заметил: когда нанопроволоки определенным образом контактировали с электродами, устройства генерировали ток, — говорит Яо. — Затем было обнаружено, что атмосферная влажность имеет важное значение для процесса, и что белковые нанонити поглощают воду, создавая градиент напряжения на устройстве».
Ранее опыты по выработке гидроэлектрической энергии проводились с использованием других видов наноматериалов, таких как графен. Но при этом наблюдались лишь короткие импульсы электричества. Напротив, Air-gen вырабатывает постоянное напряжение около 0,5 В с плотностью тока около 17 микроампер на квадратный сантиметр. Это не так много, но исследователи заверяют, что подключение нескольких устройств способно генерировать достаточно энергии для зарядки небольших устройств, таких как смартфоны. Причем устройство будет работать даже в пустыне Сахара.
Теперь перед учеными стоит задача по созданию крупномасштабных систем для питания домов с помощью нанопроволоки, встроенной в краску для стен. «Как только мы перейдем к промышленным масштабам производства проволоки, появится возможность создавать большие системы, которые внесут существенный вклад в производство энергии».
Отметим, что опубликованная фотография не имеет никакого отношения к разработке.
