Белковые «нанопровода» позволили получать электричество прямо из воздуха

Открытые в конце 1980-х почвенные бактерии Geobacter впервые обратили на себя внимание необычной способностью производить магнитные кристаллы железа при нехватке кислорода. Дальнейшее изучение этих микробов показало, что они используют электричество для окисления и утилизации органических веществ, а для создания направленного движения электронов производят проводящие ток «нанонити» из белковых молекул.

Команда профессора Массачусетского университета в Амхерсте Цзюнь Яо (Jun Yao) научилась изолировать эти «бактериальные провода», чтобы найти возможность их практического применения. В ходе такой работы обнаружилось, что, будучи заключенными между парой тонких золотых пластин, они непрерывно — часами — производят электричество буквально «из воздуха». Точнее говоря, из воды: для работы системы пластинки должны иметь неравные размеры, чтобы часть нанонитей могла взаимодействовать с атмосферной влагой.

В статье, опубликованной в журнале Nature, Яо и его соавторы пишут, что создающие ток электроны заимствовались действительно из молекул воды. Они не могли быть получены из золота, поскольку генерация электричества происходила и при использовании графеновых пластинок, которые не могут служить подходящими донорами электронов. Они не могли высвобождаться из молекул самих белков в процессе их разложения: белки оставались целыми. Однако снижение влажности воздуха снижало и генерацию тока.

Эксперименты показали, что максимальная производительность системы достигается при влажности около 45 процентов, хотя в принципе она продолжает работу и при довольно сухом воздухе, сравнимым с тем, что можно найти где-нибудь в Сахаре. Конденсируясь на верхней стороне устройства, вода взаимодействует с белками. Их проводящие и поверхностные свойства вызывают разложение воды на заряженные ионы. Заряды накапливаются, создавая разницу потенциалов и вызывая направленное движение свободных электронов — ток.

Многие детали этого процесса остаются неизвестными и требуют дальнейшего изучения. Тем не менее ученые уже продемонстрировали работоспособность устройства, получившего название Air-gen. Созданный ими прототип непрерывно производил «из воздуха» порядка 0,5 В: около 17 таких прототипов могли бы запитать мобильный телефон. По словам авторов, система поддерживала необходимый градиент влажности в слое белковых нанонитей и непрерывно работала в течение более чем двух месяцев.

Все это на порядки превышает возможности любых предыдущих аналогичных устройств. Разработчики Air-gen уверены, что система может быть легко масштабирована до реальных размеров и широко использоваться на практике. Тем более что для промышленного производства белковых «проводов» необязательно манипулировать капризными Geobacter: уже получены ГМ-линии обычной кишечной палочки, способные синтезировать такие же нанонити.

«Конечная цель — создание крупномасштабных систем, — говорит Цзюнь Яо. — К примеру, такая технология может быть интегрирована в краску для стен, которая заодно будет снабжать дом электричеством. Или же можно разработать отдельно стоящие генераторы, подающие ток в общую сеть. Я уверен, что как только мы отработаем промышленное производство нанонитей, будут созданы и крупномасштабные системы, которые внесут огромный вклад в развитие возобновляемой энергетики».