Американские ученые создали небольшое устройство на основе белковых нанонитей, способное пассивно добывать электричество из окружающей влажности. Из-за градиента влажности между воздухом и внутренними слоями массива белковых нитей между электродами возникает небольшое напряжение. Эксперимент с 17 устройствами показал, что они способны вырабатывать достаточно энергии для работы небольшого экрана, рассказывают авторы статьи в Nature.

Под возобновляемой энергетикой и добычей электричества «из ничего» обычно подразумеваются генераторы, использующие масштабные природные явления, такие как солнечное освещение или ветер. Однако в последние годы ученые добились немалых успехов в создании генераторов, работающих независимо от природных явлений или ископаемого топлива. Например, одним из самых перспективных методов считается трибоэлектрическая генерация, поскольку она работает от различных движений и потенциально хорошо подходит для питания простых носимых устройств.

Цзюнь Яо (Jun Yao) и его коллеги из Массачусетского технологического университета создали устройство, вырабатывающее энергию из окружающей влажности. Центральный элемент в нем — это тонкая пленка из проводящих белковых нанонитей, вырабатываемых бактериями Geobacter sulfurreducens. Толщина этой пленки составляет около семи микрометров, а поскольку она состоит из отдельных нитей, она имеет пористую, а не сплошную структуру. Снизу и сверху располагаются золотые электроды, между которыми возникает напряжение. Размеры генератора составляют один на два сантиметра.

Схема генератора
Схема генератора

Исследователи считают, что механизм работы генератора основан на ионизации карбоксильных групп на поверхности белковых нитей из-за присутствия молекул воды. Из-за этого на поверхности образуются подвижные протоны, выступающие в качестве носителя заряда в этой системе. Из-за градиента влажности (от поверхности пленки к ее основанию) возникает градиент концентрации носителей заряда и происходит диффузия протонов, а также образуется потенциал, похожий на потенциал покоя в живых клетках.

Градиент влажности и носителей заряда в генераторе
Градиент влажности и носителей заряда в генераторе

Измерения показали, что при отсутствии нагрузки в генераторе поддерживается напряжение около 0,5 вольта, а при замыкании цепи возникает ток на уровне 250 наноамперов. Генератор способен вырабатывать ток на протяжении десятков часов. Например, во время 20-часового эксперимента с подключенным резистором напряжение упало лишь на треть, а после его отключения напряжение восстановилось за пять часов. Разработчики экспериментально показали, что электрические параметры генератора не зависят от освещения или измерительных приборов, что подтверждает предложенное ими объяснение механизма работы. Объемная мощность генератора составляет 4 милливатта на кубический сантиметр.

Инженеры показали практическую применимость генератора, создав цепь из 17 последовательно соединенных устройств, а также подключив к ним конденсаторы, к которым был подключен светодиодный или жидкокристаллический экран. Генараторы создавали напряжение 10 вольт, а конденсаторам хватало энергии для питания экрана.