Forskare vid University of Massachusetts Amherst har utvecklat en enhet som använder ett naturligt protein för att skapa elektricitet från fukt i luften, en ny teknik som de säger kan ha betydande konsekvenser för framtiden för förnybar energi, klimatförändringarna och i medicinens framtid.

Som rapporterats idag i Natur , laboratorierna hos elingenjören Jun Yao och mikrobiologen Derek Lovley vid UMass Amherst har skapat en enhet som de kallar en "Air-gen." eller luftdriven generator, med elektriskt ledande proteinnanotrådar producerade av mikroben Geobacter. Air-gen ansluter elektroder till proteinnanotrådarna på ett sådant sätt att elektrisk ström genereras från vattenånga som finns naturligt i atmosfären.

"Vi gör bokstavligen el ur luften, "säger Yao." Air-gen genererar ren energi dygnet runt. "Härligt, som har avancerat hållbart biologibaserat elektroniskt material under tre decennier, lägger till, "Det är den mest fantastiska och spännande tillämpningen av proteinnanotrådar än."

Den nya tekniken som utvecklats i Yaos laboratorium är icke-förorenande, förnybar och billig. Den kan generera ström även i områden med extremt låg luftfuktighet, såsom Saharaöknen. Det har betydande fördelar jämfört med andra former av förnybar energi, inklusive sol och vind, Lovley säger, för till skillnad från dessa andra förnybara energikällor, Air-gen kräver inte solljus eller vind, och "det fungerar till och med inomhus."

Air-gen-enheten kräver endast en tunn film av proteinnanotrådar som är mindre än 10 mikron tjocka, forskarna förklarar. Filmens botten vilar på en elektrod, medan en mindre elektrod som bara täcker en del av nanotrådsfilmen sitter ovanpå. Filmen adsorberar vattenånga från atmosfären. En kombination av elektrisk ledningsförmåga och ytkemi hos proteinnanotrådarna, tillsammans med de fina porerna mellan nanotrådarna i filmen, fastställer de förhållanden som genererar en elektrisk ström mellan de två elektroderna.

Forskarna säger att den nuvarande generationen Air-gen-enheter kan driva liten elektronik, och de räknar med att få uppfinningen till kommersiell skala snart. Nästa steg som de planerar inkluderar att utveckla en liten Air-gen "patch" som kan driva elektroniska bärbara enheter som hälso- och fitnessmonitorer och smarta klockor, vilket skulle eliminera kravet på traditionella batterier. De hoppas också kunna utveckla Air-gens för att applicera på mobiltelefoner för att eliminera periodisk laddning.

Yao säger, "Det slutliga målet är att göra storskaliga system. Till exempel, tekniken kan införlivas i väggfärg som kan hjälpa till att driva ditt hem. Eller, vi kan utveckla fristående luftdrivna generatorer som levererar el från nätet. När vi väl kommer till en industriell skala för trådproduktion, Jag förväntar mig fullt ut att vi kan göra stora system som kommer att göra ett stort bidrag till hållbar energiproduktion. "

Fortsätter att utveckla de praktiska biologiska förmågorna hos Geobacter, Lovleys laboratorium utvecklade nyligen en ny mikrobiell stam för att snabbare och billigare massproducera proteinnanotrådar. "Vi gjorde E. coli till en protein -nanotrådsfabrik, "säger han." Med denna nya skalbara process, protein nanotrådförsörjning kommer inte längre att vara en flaskhals för att utveckla dessa applikationer. "

Upptäckten av Air-gen speglar ett ovanligt tvärvetenskapligt samarbete, de säger. Lovley upptäckte Geobacter -mikroben i Potomacflodens lera för mer än 30 år sedan. Hans laboratorium upptäckte senare dess förmåga att producera elektriskt ledande proteinnanotrådar. Innan du kommer till UMass Amherst, Yao hade arbetat i åratal vid Harvard University, där han konstruerade elektroniska enheter med kisel nanotrådar. De gick samman för att se om användbara elektroniska enheter kan tillverkas med proteinnanotrådarna som skördats från Geobacter.

Xiaomeng Liu, en doktorsexamen student i Yaos labb, utvecklade sensorenheter när han märkte något oväntat. Han minns, "Jag såg att när nanotrådarna kom i kontakt med elektroder på ett specifikt sätt genererade enheterna en ström. Jag fann att den exponeringen för luftfuktighet var avgörande och att protein -nanotrådar adsorberade vatten, producerar en spänningsgradient över enheten. "

Förutom Air-gen, Yaos laboratorium har utvecklat flera andra applikationer med proteinnanotrådarna. "Detta är bara början på en ny era av proteinbaserade elektroniska enheter" sa Yao.