He löysivät sen Potomac-joen mutaisilta rannoilta yli kolme vuosikymmentä sitten: outo 'sedimenttiorganismi', joka pystyi tekemään asioita, joita kukaan ei koskaan odottanut bakteereilta.
Tämä epätavallinen Geobacter-sukuun kuuluva mikrobi tunnettiin kyvystään tuottaa magnetiittia hapen puuttuessa, mutta ajan mittaan tutkijat havaitsivat, että se voisi luoda muita asioita, kuten bakteerien nanojohtoja, jotka johtavat sähköä.
Vuosien ajan tutkijat ovat yrittäneet löytää tapoja hyödyntää tätä luonnonlahjaa hyvin, ja tänä vuonna he paljastivat laitteen, jota he kutsuvat Air-geniksi. Tiimin mukaan heidän laite voi luoda sähköä … hyvin, melkein ei mitään.
“Teemme kirjaimellisesti sähköä tyhjästä”, sanoi sähköinsinööri Jun Yao Massachusetts Amherstin yliopistosta helmikuussa. Air-gen tuottaa puhdasta energiaa 24 tuntia vuorokaudessa.
Väite saattaa kuulostaa liioittelulta, mutta Yaon ja hänen tiiminsä äskettäin tekemässä tutkimuksessa kuvataan, kuinka ilmakäyttöinen generaattori voi todella tuottaa sähköä vain, kun sen ympärillä on ilmaa. Tämä kaikki johtuu Geobacterin (tässä tapauksessa G. serreducens) tuottamista sähköä johtavista proteiininanolangoista.
Air-gen koostuu ohuesta kalvosta, vain 7 mikrometriä paksua proteiininanolankoja, jotka ovat kahden elektrodin välissä.
Nanolanka-kalvo kykenee adsorboimaan ilmakehässä olevaa vesihöyryä, jolloin laite tuottaa jatkuvan sähkövirran kahden elektrodin välillä.
Tutkijat toteavat, että varaus syntyy kosteusgradientista, joka diffundoi protoneja nanolangan materiaalissa.
“Tämän varauksen diffuusion odotetaan aiheuttavan tasapainottavan sähkökentän tai potentiaalin, joka on samanlainen kuin lepokalvopotentiaali biologisissa järjestelmissä”, kirjoittajat selittävät tutkimuksessaan.
“Jatkuva kosteusgradientti, joka eroaa pohjimmiltaan aiemmista järjestelmistä, selittää nanojohdinlaitteemme jatkuvan lähtöjännitteen.”
Löytö tehtiin melkein vahingossa, kun Yao huomasi, että hänen kokeilemansa laitteet näyttivät johtavan sähköä yksin.
“Huomasin, että kun nanojohdot olivat kosketuksessa elektrodien kanssa tietyllä tavalla, ne tuottivat virtaa”, Yao sanoi.
“Olen havainnut, että altistuminen ilmankosteudelle on tärkeää ja että proteiini-nanojohdot imevät vettä luoden stressigradientin.”
Aikaisemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että vesivoimaa tuotetaan muun tyyppisillä nanomateriaaleilla, kuten grafeenilla, mutta nämä yritykset ovat tuottaneet enimmäkseen vain lyhyitä sähköpulsseja, jotka kestävät vain muutaman sekunnin.
Sen sijaan Air-gen tuottaa noin 0,5 V DC tasavirralla noin 17 mikroampeeria neliösenttimetriä kohti.
Se ei ole paljon tehoa, mutta joukkue sanoi, että useiden laitteiden yhdistäminen voisi tuottaa riittävästi virtaa pienten laitteiden, kuten älypuhelinten ja muun henkilökohtaisen elektroniikan, lataamiseen – kaikki tuhlaamatta ja käyttämättä muuta kuin ympäristön kosteutta (jopa niin kuivissa kuten Saharan autiomaassa).
“Lopullinen tavoite on rakentaa laajamittaisia järjestelmiä”, Yao sanoi ja selitti, että kipeästi tätä tekniikkaa voitaisiin käyttää koteihin, joissa nanoseinät on upotettu seinämaaliin.
“Kun siirrymme teollisen mittakaavan langan tuotantoon, odotan täysin, että pystymme rakentamaan suuria järjestelmiä, jotka edistävät merkittävästi kestävää energiantuotantoa.”
Työtoverin mikrobiologin Derek Lowleyn vastaava tutkimus, joka tunnisti ensimmäisen kerran Geobacter-mikrobit jo 1980-luvulla, voisi auttaa tässä: muuntamalla geneettisesti muut mikrobit, kuten E. coli, suorittamaan sama temppu laajamittaisesti.
“Olemme muuttaneet E. colin proteiinien nanolankatehtaaksi”, Lovli sanoi.
Tulokset raportoidaan Luonto.
Lähteet: Kuva: (UMass Amherst / Yao ja Lovley labs / Ella Maru Studio)
