|
Белковые «нанопровода» позволили получать электричество прямо из воздуха
|
Проводящие белковые нанонити, заключенные между парой электродов, оказались способны непрерывно производить электричество из атмосферной влаги.
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.
Прототип Air-gen включает центральный слой белковых нанонитей толщиной 10 мкм, заключенный между двумя плоскими электродами: верхний покрывает их лишь частично, открывая путь для конденсирующейся влаги / ©Yao and Lovley Labs, UMass Amherst
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».
В кишечнике найдена бактерия, производящая электричество
Ее свойства открыли две разные группы ученых независимо друг от друга.
Исследователи из Лундского университета (Швеция) и Калифорнийского университета в Беркли (США), независимо друг от друга, обнаружили, что бактерия энтерококк фекальный (Enterococcus faecalis) способна производить электричество. Их работы опубликованы в журналах Biochemistry и Nature.
Энтерококк фекальный — грамположительная бактерия, обитающая в микрофлоре пищеварительного тракта человека, крупного рогатого скота, собак и других животных. В то же время она возбудитель менингита и различных инфекций, в том числе мочевыводящих путей и органов малого таза. Теперь же ученые нашли у нее необычное свойство — способность к электрохимии.
Эта бактерия производит электричество путем внеклеточного переноса электронов (ВПЭ) — способ, при котором энтерококк передает электроны во внешнюю среду. Ученые показали процесс в эксперименте, поместив клетки E. faecalis на электрод. Те передавали электроны при посредничестве молекул хинона.
Между тем ученые из Калифорнийского университета в Беркли нашли сразу несколько подобных бактерий в кишечнике, где E. faecalis — лишь одна из них. К числу других относятся: листерии (Listeria monocytogenes) и лактобактерии (Lactobacilli), вовлеченные в процесс ферментации йогуртов.
Профессор Дэн Портной (Dan Portnoy), участвовавший во втором исследовании, объяснил, к чему могут привести эти открытия:
«Тот факт, что многие бактерии — будь то патогены, пробиотики или те, что вовлечены в наш микробиом, — производят электричество, а мы этого не замечали — невероятен. В итоге полученная информация поможет нам понять, как эти бактерии заражают нас или, наоборот, помогают поддерживать здоровое состояние».
Исследователи из обеих групп также отметили, что открытие поможет в производстве новых антибиотиков, направленных против кишечных инфекций, и поспособствует поиску способов борьбы с раком толстой кишки.
Ранее биологи изучали похожие организмы — электролитоавтотрофы, напрямую поглощающие электроны, которые обитают в жерлах глубоководных гидротермальных источников. Оказалось, эти бактерии «дышат» электронами благодаря «нанопроводам».
Компания Plant-e предлагает генерировать электроэнергию при помощи растений
Исчерпаемость углеводородного топлива в совокупности с заложенными рисками и опасностями, которые таит в себе ядерная энергия, способствовали медленному, но уверенному развитию сектора альтернативных методов получения тепла и электричества. Если рассматривать категорию возобновляемых источников, то мировое сообщество постепенно приходит к выводу о необходимости задействовать в индивидуальном порядке все доступные инструменты и технологии для удовлетворения растущих потребностей современных жителей. Это позволит не только сэкономить на оплате ежемесячных счетов, но и внесёт индивидуальный вклад в поддержание экологического равновесия и состояния окружающей среды.
scienceofthetime.com
Ярким примером того, что природа способна без вреда для себя делиться с человеком энергией, стал проект голландской фирмы Plant-e. В основе озвученной ими технологии лежат особенности процесса фотосинтеза растений, при котором последние выделяют сахаристые вещества. Данные органические соединения рассматриваются в качестве сырья для получения электричества абсолютно безопасным для растения методом. Идея специалистов Plant-e заключается в расщеплении избыточно вырабатываемого сахара, который так или иначе попадает через корни в почву.
Приняв во внимание возможность использования невостребованного представителями флоры продукта собственного фотосинтеза, в Plant-e предлагают при помощи электродов собирать заявленным образом электричество для питания мелкой бытовой электроники и осветительных приборов. Эффективность технологии, разумеется, некорректно сравнивать с другими способами альтернативного энергоснабжения. Команда инженеров, трудившаяся над проектом, утверждает, что 100 м2 специальных зелёных насаждений позволяют генерировать в течение года примерно 2800 кВт·ч, что, в принципе, не так уж и много. Тем не менее, указанного количества энергии будет достаточно для освещения обочин, питания светодиодных ламп, точек доступа к публичным сетям Wi-Fi и многого другого. Для всего этого потребуется определённый вид растений, которые помещаются в пластиковые контейнеры площадью по 2500 см2 каждый.
inhabitat.com
При этом наличие в почве электродов и процесс «добычи» электричества никоим образом не сказывается на рост и развитие самих растений. На данном этапе технология уже внедрена в Нидерландах, где за работу трёх сотен светодиодных фонарей отвечает зелёный, в самом прямом смысле этого слова, источник питания.
inhabitat.com
Учёные добыли энергию из света с помощью искусственной клетки
Группа сотрудников Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетика США (DOE) под руководством ведущей проекта Елены Рожковой создала биоинспирированную (подсмотренную у природы) искусственную клетку, которая смогла преобразовать падающий на неё свет в запас химической энергии. Для этого учёные заменили некоторые естественные биологические механизмы в клетке на искусственные небиологического происхождения. Подобный подход, как считают разработчики, откроет новый путь к хранению энергии.
Искусственные протоклетки под электронным микроскопом (Argonne National Laboratory)
Искусственные клетки или протоклетки для преобразования света в химическую энергию представляет собой полые капсулы, внутри которых посредством спонтанной самосборки и сил слабого взаимодействия собираются гибридные наностержни из золота и серебра. Сначала происходит самосборка, а потом наночастицы обволакиваются мембраной из такого белка, как бактериородопсин. Этот белок интересен тем, что он работает как зависимая от света биологическая помпа, перекачивая протоны из клетки на её наружную поверхность.
В конечном итоге под воздействием света вне клетки начинает расти концентрация протонов, образуя так называемый электрохимический градиент. И в этом ключ к исследованию. Учёные ввели во взаимодействие с искусственными клетками вторую группу искусственных клеток, которые использовали скопления протонов как «топливо» для выработки молекулы АТФ (аденозинтрифосфата). Эксперимент показал хорошо фиксируемый рост концентраций АТФ при воздействии видимого света на колонию протоклеток.
Группа учёных во главе с руководителем проекта Еленой Рожковой (справа вверху)
Дальше дело техники. АТФ — это универсальный источник энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах. Фактически это химическое топливо, которое можно запасать и расходовать по своему усмотрению. Из искусственных клеток было выброшено всё лишнее, кроме примитивного механизма для использования протонов в качестве обменных ионов. Иными словами клетке оставили одну-единственную функцию ― синтез богатых энергией молекул-носителей. Также существует вероятность, что вместо протонов в качестве среды обмена можно использовать ионы натрия или ионы кальция.
Наконец, металлические наночастицы вблизи белковой мембраны, поглощающей свет, служат своего рода линзами для фокусировки света на поверхности мембраны, что активизирует биологические реакции. В целом эксперимент признан успешным и будет продолжен.
