Wetenschappers van de Universiteit van Massachusetts Amherst hebben een apparaat ontwikkeld dat een natuurlijk eiwit gebruikt om elektriciteit op te wekken uit vocht in de lucht. een nieuwe technologie die volgens hen aanzienlijke gevolgen kan hebben voor de toekomst van hernieuwbare energie, klimaatverandering en in de toekomst van de geneeskunde.

Zoals vandaag gemeld in Natuur , de laboratoria van elektrotechnisch ingenieur Jun Yao en microbioloog Derek Lovley van UMass Amherst hebben een apparaat gemaakt dat ze een 'Air-gen' noemen. of door lucht aangedreven generator, met elektrisch geleidende eiwit nanodraden geproduceerd door de microbe Geobacter. De Air-gen verbindt elektroden zo met de eiwitnanodraden dat er elektrische stroom wordt opgewekt uit de waterdamp die van nature in de atmosfeer aanwezig is.

"We maken letterlijk elektriciteit uit het niets, " zegt Yao. "De Air-gen wekt 24/7 schone energie op." Heerlijk, die meer dan drie decennia duurzame, op biologie gebaseerde elektronische materialen heeft ontwikkeld, voegt toe, "Het is de meest verbazingwekkende en opwindende toepassing van eiwitnanodraden tot nu toe."

De nieuwe technologie die in Yao's lab is ontwikkeld, is niet-vervuilend, hernieuwbaar en goedkoop. Het kan zelfs stroom opwekken in gebieden met een extreem lage luchtvochtigheid, zoals de Sahara. Het heeft aanzienlijke voordelen ten opzichte van andere vormen van hernieuwbare energie, waaronder zonne- en windenergie, Lovely zegt, omdat, in tegenstelling tot deze andere hernieuwbare energiebronnen, de Air-gen heeft geen zonlicht of wind nodig, en "het werkt zelfs binnenshuis."

Het Air-gen-apparaat vereist slechts een dunne film van eiwit-nanodraden van minder dan 10 micron dik, leggen de onderzoekers uit. De onderkant van de film rust op een elektrode, terwijl een kleinere elektrode die slechts een deel van de nanodraadfilm bedekt, bovenop zit. De film adsorbeert waterdamp uit de atmosfeer. Een combinatie van de elektrische geleidbaarheid en oppervlaktechemie van de eiwitnanodraden, in combinatie met de fijne poriën tussen de nanodraden in de film, stelt de voorwaarden vast die een elektrische stroom tussen de twee elektroden genereren.

De onderzoekers zeggen dat de huidige generatie Air-gen-apparaten kleine elektronica van stroom kunnen voorzien, en ze verwachten de uitvinding binnenkort op commerciële schaal te brengen. De volgende stappen die ze van plan zijn, zijn onder meer de ontwikkeling van een kleine Air-gen "patch" die elektronische wearables, zoals gezondheids- en fitnessmonitoren en slimme horloges, van stroom kan voorzien, waardoor de behoefte aan traditionele batterijen zou worden geëlimineerd. Ze hopen ook Air-gens te ontwikkelen voor mobiele telefoons om periodiek opladen te elimineren.

Yao zegt, “Het uiteindelijke doel is om grootschalige systemen te maken. de technologie kan worden verwerkt in muurverf die uw huis van stroom kan voorzien. Of, we kunnen stand-alone door lucht aangedreven generatoren ontwikkelen die elektriciteit van het net leveren. Zodra we op industriële schaal komen voor draadproductie, Ik verwacht volledig dat we grote systemen kunnen maken die een grote bijdrage gaan leveren aan duurzame energieproductie."

Door de praktische biologische mogelijkheden van Geobacter verder te ontwikkelen, Lovley's lab heeft onlangs een nieuwe microbiële stam ontwikkeld om eiwitnanodraden sneller en goedkoper in massa te produceren. "We hebben van E. coli een eiwit-nanodraadfabriek gemaakt, " zegt hij. "Met dit nieuwe schaalbare proces, eiwit nanodraadvoorziening zal niet langer een knelpunt zijn bij het ontwikkelen van deze toepassingen."

De ontdekking van Air-gen weerspiegelt een ongebruikelijke interdisciplinaire samenwerking, ze zeggen. Lovley ontdekte de Geobacter-microbe meer dan 30 jaar geleden in de modder van de Potomac-rivier. Zijn laboratorium ontdekte later het vermogen om elektrisch geleidende eiwit-nanodraden te produceren. Alvorens naar UMass Amherst te komen, Yao had jaren aan de Harvard University gewerkt, waar hij elektronische apparaten ontwierp met silicium nanodraden. Ze bundelden hun krachten om te kijken of er bruikbare elektronische apparaten gemaakt konden worden met de eiwit-nanodraden die uit Geobacter waren geoogst.

Xiaomeng Liu, een doctoraat student in Yao's lab, sensorapparaten aan het ontwikkelen was toen hij iets onverwachts opmerkte. Hij herinnert zich, "Ik zag dat wanneer de nanodraden op een specifieke manier in contact werden gebracht met elektroden, de apparaten een stroom genereerden. Ik ontdekte dat blootstelling aan luchtvochtigheid essentieel was en dat eiwit-nanodraden water adsorbeerden, het produceren van een spanningsgradiënt over het apparaat."

Naast de Air-gen, Yao's laboratorium heeft verschillende andere toepassingen ontwikkeld met de eiwitnanodraden. "Dit is nog maar het begin van een nieuw tijdperk van op eiwitten gebaseerde elektronische apparaten", zegt Yao.