從稀薄的空氣中發(fā)電可能聽起來像是科幻小說，但是只要空氣中有水分，基于納米線發(fā)芽細菌的新技術就可以做到。一項新的研究表明，當這些線制成膠片時，它們是蛋白質(zhì)細絲，可以將電子從細菌中帶走，它們可以產(chǎn)生足夠的功率來點亮發(fā)光二極管。該膜僅通過吸收周圍空氣中的濕氣起作用。盡管研究人員不確定這些電線是如何工作的，但這些微型發(fā)電廠卻大受打擊：連接在一起的17臺設備可以產(chǎn)生10伏特的電壓，足以為手機供電。

沒有參與這項工作的南京航空航天大學材料科學家郭萬林說，新方法應該被認為是“里程碑式的進步”。郭研究水力發(fā)電，這是一種從水中收集電能的分子方法。

水力發(fā)電設備的工作方式仍然是個謎。當水滴與某些種類的石墨烯或其他材料相互作用時，會產(chǎn)生電荷，并且電子會移動通過這些材料。然而，關于這些設備如何產(chǎn)生電能仍然存在許多疑問。“我認為需要更深入的了解……”，馬克斯·普朗克海洋微生物研究所開發(fā)微傳感器的微生物學家Dirk de Beer說。

研究人員還剛剛開始學習電子導電細菌的功能。15年前，合著者，麻省大學阿默斯特分校微生物學家Derek Lovley和他的同事發(fā)現(xiàn)，一種名為Geobacter的細菌將電子從有機材料傳遞到金屬基化合物(例如氧化鐵)。從那時起，他和其他人就知道許多其他細菌會制造蛋白質(zhì)納米線，將電子轉移到環(huán)境中的其他細菌或沉積物上。這種轉移會產(chǎn)生很小的電流，研究人員嘗試將其作為清潔能源加以利用，取得了不同的成功。

但是2年前，馬薩諸塞州立大學的研究生劉曉萌注意到，有時孤立的納米線會自發(fā)地產(chǎn)生電流。最初，他的顧問UMass電氣工程師Yao Jun對此表示懷疑，但最終，他們發(fā)現(xiàn)，當將納米線的薄膜夾在兩個用作電極的金板之間時，如果將它們擱置一旁，他們可能會始終如一地通電至少20小時。設備可以自行充電。訣竅是使頂板小于底部，而使納米線薄膜的一側暴露于潮濕的空氣中。

他們知道納米線不可能從金板上拉出電子，因為使用碳制成的板(不是現(xiàn)成的電子源)也可以正常工作。研究人員排除了另一種可能性：蛋白質(zhì)納米線本身正在分解并使自己的電子自由。提出了第三個想法：有時光可以通過觸發(fā)化學反應釋放電子。但是，即使在黑暗中，納米線的電流仍在流動。研究人員有一個最后的線索：將納米線放在濕度較低的室內(nèi)時，電流減小，表明水分是關鍵。

然后，他們將設備暴露在不同濕度下。研究小組今天在《自然》雜志上報道說，它在濕度約為45%的空氣中效果最好，但在撒哈拉沙漠這樣干燥的環(huán)境或像新奧爾良這樣潮濕的環(huán)境中，效果最好。他們說，秘密在于，僅薄膜的上側吸收水分，就會形成水分梯度，液滴不斷擴散進入和擴散出頂部。液滴會分解成氫離子和氧離子，導致電荷在頂部附近累積。姚解釋說，薄膜頂部和底部之間的電荷差異導致電子流動。

清華大學材料科學家屈良ti說，使用水蒸氣是“一項革命性的技術，可直接從大氣中的水分獲取可再生，綠色和廉價的能源”。

但是以前嘗試從濕氣中獲取能量的嘗試(例如使用石墨烯或聚合物)僅在短時間內(nèi)產(chǎn)生了少量電流。在新的設置中，納米線之間的空間似乎有助于維持水分??的梯度，使發(fā)電持續(xù)2個月或更長時間。因此，新的設置將持續(xù)數(shù)周而不是幾秒鐘，而且其功率輸出是先前設備的100倍以上。

而且，由于姚明稱之為“電極和納米線設備”的“空氣發(fā)電”不需要外部電源，因此它可以用在比太陽能電池板或風力渦輪機更多的地方。郭說，如果可以擴大規(guī)模，它就顯示出“實際應用的巨大潛力”。

羅夫利(Lovley)提出了一種方法。越來越多地桿菌收獲納米線是困難的，所以Lovley已經(jīng)基因工程的易于生長細菌大腸桿菌產(chǎn)生的納米線。該大腸桿菌產(chǎn)生相同直徑的納米線，并用相同的傳導功率為地桿菌的，他和他的同事們在2019年11月預印本發(fā)布到bioRxiv報道。

密歇根州立大學的微生物學家吉瑪·雷格拉(Gemma Reguera)說，但是納米線的現(xiàn)成來源可能還不夠，他利用大腸桿菌來制造作為蛋白質(zhì)納米線組成部分的肽。目前，該設備依賴于Geobacter的納米線。她說，由于從Geobacter上剪下納米線會產(chǎn)生不同成分的金屬線，因此，當Yao和Lovley嘗試使用其空氣發(fā)生器時，“并不清楚它們在探測什么”。(Lovley認為他們確實知道電線是由什么制成的。)