一直以來，科學家都希望能從周圍的環境中獲取可自給自足的清潔能源。一些衆所周知的新能源技術，如太陽能、風能等可再生能源都對環境有特定要求，這在一定程度上限制了這些技術的使用範圍，也限制了它們持續生產能源的潛力。

最近，馬薩諸塞大學阿姆赫斯特分校的一組研究人員研發了一種新的裝置，它通過一種由細菌產生的天然蛋白質，憑藉空氣中的水分，就能成功發電。這項新的技術不受地點、氣候等環境因素的限制，即使在室內，甚至是撒哈拉沙漠這樣的溼度極低的地區，也能奏效。這對未來的可再生能源、氣候變化和醫學研究都將產生重大影響。

在近期的《自然》雜誌中，研究人員詳細介紹了他們是如何在實驗室中利用由蛋白質納米線發明了這樣一種“空氣發電機”。

故事要從一類桿菌屬開始說起。15年前，論文的作者之一，微生物學家Derek Lovley和他的同事發現了一種名爲地桿菌的菌屬，這些細菌能將電子從有機物質中轉移到金屬類化合物中。自那之後，人們開始瞭解到，許多細菌可以製造出蛋白質納米線，將電子傳遞到它們周圍的其他細菌身上或環境中，而這樣的電子轉移可以形成微小的電流。

論文的另一位主要作者是電機工程師Jun Yao，多年以來，他一直從事用硅納米線設計電子設備。兩年前，Yao的博士生Xiaomeng Liu在研究傳感器設備時，發現了一件匪夷所思的事：孤立的納米線有時會自發地產生電流。起初他們對此感到很費解，但最後他們發現，當把納米線薄膜夾在兩塊用金薄片製成的電極之間並且不去管它時，它可以產生至少維持20個小時的電流。

這種電流是怎麼來的？他們在進行了一一排查之後發現了答案。

首先可以確定的是，這些電子不是來自金質金屬電極，因爲當他們將電極替換成碳質材料時，電流仍然出現了，而碳並不是一種現成的電子來源；接着，他們又排除了蛋白質納米線本身在分解並釋放電子的可能性；第三個被排除的想法是光以某種方式觸發了化學反應，導致了電子的釋放，但結果是即使在黑暗的環境中，蛋白質納米線中也可以產生電流；最後，他們將目光鎖定在一個不起眼的因素上，那就是空氣溼度：當他們把納米線放在一個溼度很低的環境中時，發現電流顯著減小了。

這讓他們確認，將這樣一個空氣發電機裝置暴露在有水蒸氣的空氣中，是產生電流的一個必要條件。

○ 利用空氣中的溼度產生電能的蛋白質納米線薄膜。| 圖片來源：UMass Amherst / Yao & Lovley

這種空氣發電機裝置只需一個不到10微米厚的蛋白質納米線薄膜即可運作，將薄膜置於一片電極上，再讓一個更小的只能部分覆蓋納米線薄膜的電極置於薄膜的上方。薄膜會從大氣中吸收水蒸氣：蛋白質納米線的導電性，加上蛋白質表面的化學性質，再結合薄膜內部納米線之間的細孔，爲在兩個電極之間產生電流創造了條件。他們的研究結果顯示，雖然這種裝置即使在撒哈拉沙漠那樣的乾燥環境下也能”頑強“發電，但當空氣溼度爲45%時，可以收穫最好的效果。

這可能是迄今爲止，關於蛋白質納米線的最令人興奮的應用了，它開啓了一項新的無污染、可再生、低成本的獲取新能源的可能。在此之前，也曾有其他研究試圖使用如石墨烯等材料從空氣的水蒸氣中獲取能源，但那些裝置都只能短暫地產生少量電流。而在新的蛋白質納米線發電裝置中，這種發電過程可以持續兩個月以上，目前其發電量足以爲小型電子設備提供電力。

研究人員希望這項技術可以很快投入商業應用。接下來，他們計劃研發出一種小型的空氣發電機，可以爲健身監測器、智能手錶等可穿戴電子設備提供電力，消除這些設備對傳統電池的依賴。此外，他們還希望能開發出適用於手機的空氣發電機，以解決我們時不時就要給手機充電的困擾。

不過，研究人員的最終目標是製造大規模系統。例如，將這種設備以某種方式融入到裝修所用的牆漆中，從而讓其爲家庭和普通建築提供電能。研究人員認爲，一旦電線生產達到工業規模，那麼製造出大型系統將不再是紙上談兵，這對於可持續能源生產來說將是巨大的喜訊。

爲了繼續推進生物地桿菌的實際應用能力，Lovley的團隊最近還研發了一種新的微生物菌株，這種菌株可以更迅速、更廉價地生產大量蛋白質納米線。他們將大腸桿菌變成了一個蛋白質納米線加工廠，有了這種新的工藝，蛋白質納米線的供應將不再成爲研發這些應用過程的障礙。

空氣發電機的發現再一次反映跨學科研究合作的力量。微生物學家與電機學家的聯手，成功地用從地桿菌屬獲取的蛋白質納米線製造出了有用的發電裝置。現在，Yao的實驗室還正在研發其他幾種利用蛋白質納米線的應用，他說：“新的以蛋白質爲基礎的電子設備時代纔剛剛開始。”