يمكن لخيوط البروتين هذه سحب الكهرباء من الهواء الرطب في أي مكان

عندما بدأ Jun Yao وظيفة جديدة ، لم يكن هذا المهندس الكهربائي يبحث عن مصدر “أخضر” للطاقة. لكن الصدفة ساعدته في اكتشاف طريقة لاستخدام البروتين الطبيعي بالكامل لتحويل الماء إلى كهرباء. تعمل ياو في جامعة ماساتشوستس (UMass) في أمهيرست. يستخدم الأسلاك النانوية في الإلكترونيات التي كان يصممها. هذه الأسلاك متناهية الصغر ، كل منها لا يتجاوز جزء من المليار من المتر (ثلاثة أجزاء من المليارات من القدم). لكن كأستاذ جديد ، واجه ياو صعوبة في الحصول على ما يكفي منهم لأبحاثه.

محبط ، ذكر المشكلة لديريك لوفلي. يعمل عالم الأحياء الدقيقة هذا أيضًا في UMass. أخبر لوفلي ياو عن البكتيريا التي تصنع خيوطًا نانوية من البروتين. لمعرفة ما إذا كانت هذه يمكن أن تحل محل الأسلاك النانوية ، تعاون الزوجان. تعيش بكتيريا Geobacter في الوحل. اكتشف لوفلي هذه الميكروبات لأول مرة منذ أكثر من 30 عامًا. منذ ذلك الحين ، تم استخدام هذه الميكروبات لتنظيف انسكاب الزيت والنفايات المشعة.

تنمو البكتيريا خيوط بروتين شبيهة بالأسلاك في جميع أنحاء السطح الخارجي لخلاياها. يقول ياو: “إنها تبدو مثل قنفذ البحر المصغر”. عندما تحول الميكروبات الطعام إلى طاقة ، فإنها تطلق الإلكترونات. تتحرك تلك الإلكترونات عبر خيوط البروتين ، وينتهي بها الأمر على الحديد في الوحل. بالنسبة للبحث الجديد ، أزال لوفلي خيوط النانو من مليارات هذه البكتيريا. ثم وضع فريق ياو سحابة من الخيوط السلكية بين لوحين معدنيين صغيرين من الذهب. (تخيل أن تأخذ حفنة من الخيوط وتنعيمها بشكل مسطح). يعمل الذهب كأقطاب كهربائية. إنها تتلامس مع الجزء غير المعدني من الدائرة الكهربائية (تلك الأسلاك البروتينية). ثم قام طالب الدراسات العليا Xiaomeng Liu بتطبيق جهد كهربائي بين القطبين. يشبه ياو هذا بأنه توصيلهم ببطارية. عندما فعل ليو ذلك ، تحركت الكهرباء – تدفق الإلكترونات – عبر النظام. تعمل “أسلاك” البروتين الآن مثل الأسلاك المعدنية.

صدفة سعيدة

ذات يوم ، نسي ليو تشغيل الجهد. ومع ذلك ، رأى الكهرباء تتدفق عبر الجهاز على أي حال. ولدهشته ، خلقت أسلاك البروتين النانوية الكهرباء. بعد الاختبار ، أظهر الباحثون أن رطوبة الهواء – المحتوى المائي – هي التي تعمل على تشغيل الإعداد. قرر الباحثون متحمسًا اختبار مدى نجاح نظامهم الجديد. بدأوا بجهاز واحد صغير. كان قطبها السفلي 5 ملليمترات (0.2 بوصة) على جانب. فوق هذه كانت طبقة من الأسلاك النانوية بسمك 7 ميكرومتر (أرق بكثير من شعرة الإنسان). في الأعلى جلس قطب أصغر مربع الشكل ، 1 مليمتر على كل جانب.

أنتج الجهاز الكهرباء في جميع مستويات الرطوبة التي تم اختبارها ، لكنه كان ينتج أكثر عندما تكون الرطوبة عالية. عند أعلى طاقة ، أنتجت 0.5 فولت. عندما وصل الباحثون خمسة أجهزة ، حصلوا على خمسة أضعاف الطاقة الناتجة. إن تغطية الجهاز لإبقاء الماء بعيدًا عن الأسلاك النانوية يوقف إنتاج الكهرباء. أدت إزالة الغطاء إلى تشغيل الجهاز مرة أخرى. على الرغم من أن ناتج جهاز واحد ضئيل ، يمكن لمجموعة منهم شحن الهاتف أو إضاءة المصباح ، كما يقول ياو. مفتاح النظام هو وجود مسافات صغيرة بين الأسلاك النانوية ، تسمى المسامات النانوية. أنها تسمح للماء بالانتقال بين الأسلاك. يتجمع المزيد من الماء على جانب القطب الكهربائي الصغير حيث تتصل حزمة الأسلاك النانوية بالهواء. يتجمع أقل على الجانب حيث تلمس الأسلاك النانوية القطب الأكبر. هذا الاختلاف ، أو التدرج اللوني ، يجعل شحنة موجبة تتراكم على جانب واحد من “الأسلاك” وشحنة سالبة على الجانب الآخر. يقول ياو إن الأمر يشبه إلى حد ما شكل البرق. يشرح قائلاً: “حركة جزيئات الماء تخلق فصلًا في الشحنة في السحابة”. “في النهاية تصل إلى عتبة ما ، فتفرغ السحابة ،” تنتج البرق.

قوة المستقبل؟

يقول ياو إن الجهاز الجديد لديه القدرة على أن يكون ابتكارًا رئيسيًا في مجال الطاقة المتجددة. بعد كل شيء ، يلاحظ ، “الرطوبة في كل مكان.” الأجهزة رفيعة جدًا ويمكن تكديسها. على عكس الألواح الشمسية ، فهي لا تحتاج إلى إضاءة أو لتغطية مساحة كبيرة. يمكن استخدامها في الداخل أو الخارج. يمكن أن يصبح جزءًا من الأثاث والهواتف المحمولة والمزيد دون أن يكون ملحوظًا.

يقول ياو إن أفضل جزء هو أن حصاد الأسلاك الميكروبية لا ينتج عنه مواد كيميائية ضارة. وعندما لا تكون هناك حاجة إلى الأجهزة ، يمكن إعادة استخدام الأقطاب الكهربائية الذهبية أو إعادة تدويرها. يمكن التخلص من الأسلاك النانوية ، مما يسمح للبروتين بالتحلل بشكل طبيعي. وهذا يعني أنه على عكس الأنواع الأخرى من الطاقة المتجددة ، كما يقول ياو ، لا توجد نفايات طويلة الأجل تلوث البيئة.

يقول Quanbin Dai ، يبدو أن هذه تقنية مهمة. إنه باحث في تكنولوجيا النانو ولم يشارك في الدراسة. يعمل في جامعة كيس ويسترن ريزيرف في كليفلاند ، أوهايو. ويشير إلى أن العديد من الأشخاص لديهم “هواتف محمولة وأجهزة إلكترونية يمكن ارتداؤها بحاجة إلى إعادة الشحن”. يقول إن فكرة القدرة على تشغيل هذه الطاقة من الهواء الرطب جذابة. يمكن أن تنتج أسلاك البروتين النانوية الطاقة الكهربائية في أي مكان وفي أي وقت من اليوم. وهو يقول: .

“سيكون من المثير للاهتمام أن نرى التنفيذ الناجح لهذا الأمر”

يعمل ياو ولوفلي بالفعل لتحقيق ذلك. يتمثل أحد حدودها الآن في كيفية زراعة ما يكفي من الأسلاك النانوية الميكروبية بسرعة. لكن لوفلي عليه. لقد أدخل بالفعل الجين لتصنيع الأسلاك النانوية في نوع أسرع من البكتيريا.