天天观天下！纳米多孔材料空气发电机

DeepTech深科技   2023-06-03 16:48:47


(资料图片仅供参考)

通常人们在看到闪电时，才会意识到大气中的水气原来存储了电能。当然，历史上通过捕捉闪电来转化为电力的尝试都未获得成功。
想象一下，如果有一种技术可以有效地捕捉空气中水气所存储的电能、并转变为电力，还不受时间、空间的限制，会是怎样的情景？
图丨姚军（右）与刘孝猛（来源：）
最近，美国马萨诸塞大学安姆斯特分校助理教授课题组实现了该概念的突破。他们开发了一类 空气发电机，能够收集空气中的电荷并将其转变为持续的电能。
实现这类发电机的关键是把材料加工成多孔结构，里面的孔径小于 100纳米。与太阳能、风能技术相比，空气发电具有不受时间和空间限制的优势。 并且，这一发电现象具有通用性，可以利用非常广泛的材料来制作空气发电机。
在以往研究中，一些材料器件可以利用周围环境湿度的变化，来产生瞬时电信号。但是，这类器件不能在恒定的大气环境中产生持续电信号，所以并不能产生可持续能源。
“我们在领域中迈出了利用空气可持续性发电的第一步，并且发现了通用的机理可以应用于各类无机、有机和生物材料，为未来广泛开发提供了基础。虽然目前的效应展示是在小的器件尺寸，未来有潜力通过拓展规模来提供多用途电力供应。”说。
图丨相关论文（来源：Advanced Materials）
最近，相关论文以《纳米多孔材料中的通用空气效应，可从空气湿度中收获可持续能量》（）为题发表在Advanced Materials上[1]。
马萨诸塞大学安姆斯特分校博士研究生刘孝猛为该论文第一作者，助理教授为论文通讯作者。
从空气中可持续发电
在雷雨天之所以有闪电，是因为水气的运动导致云层的上下两端产生电荷差。空气发电机的发电原理其实与闪电形成的原理类似，也需要产生电荷差，与水分子的运动有关。空气中含有大量的水分子，大概每 100 纳米 （人类头发丝直径的千分之一）内它们就会相互碰撞。
与团队在薄膜材料中制备了小于 100 纳米的多孔结构来制备空气发电机。一方面，这些纳米小孔仍然可使空气中的水分子从薄膜的上表面穿透到下表面；但另一方面，因为孔小，使得水分子很容易撞击孔壁，这会导致薄膜的上部比下部容易受到更多水分子的撞击。
水分子在碰撞材料时，会把一部分电荷转移到材料表面，而多被碰撞的上表面就比少被碰撞的下表面则积累了更多电荷。这形成了电荷的不平衡分布，类似雷雨天云层中因电荷分离而产生电力。
图丨空气发电机效果图（来源：马萨诸塞大学安姆斯特分校）
这种空气发电通用效应的研究是基于在 2020 年一项发表于 Nature的研究[2]：该团队发现了一种由细菌所合成的天然蛋白质纳米线所组成的多孔薄膜，可以持续性地从空气里的水分来产生电能。
实际上，此研究的起源是一次“偶然的错误”，因为当时计划开发的是一款通过新材料制作的湿度传感器。一般来说，传感器加电才能产生信号。但是，研究人员在一次不小心忘记加电后发现，在这种情况下仍然能产生电流，于是就把研究引向空气发电的可能性探索。
此后，研究团队也在思考，如何将这类发现结合到实际应用中去。实际上，在 2020 年的研究中，他们就已经发现，把原来的蛋白质纳米线进行基因改造后，仍然可以产生同样的效应。这说明该现象有一定的通用性，也为后续的研究埋下了“伏笔”。
那么，这个通用性有多广呢？表示：“在新的拓展研究中，我们做了很多表征，测量到 几乎任何多纳米孔的亲水材料都能利用空气产生电能。”
图丨空气发电机装置结构（来源：Advanced Materials）
由于该研究提出的是一种新的通用效应和机理，因此，能不能说服审稿人接受这种“新概念”成为了投稿过程中最大的挑战。
一方面，该理念相当于对传统认知的“颠覆”，并且看起来“违反常理”；另一方面，又有可能造成对传统认知的混淆。“有的审稿人认为这种机制不大可能，也有审稿人认为和之前的认知差别不大。”表示。
于是，该团队用了近一年的时间补充实验、提交了更多补充证明材料。就在审稿人内部“争论”接近尾声时，最终还是有一位审稿人仍然觉得这个可持续性机理有待进一步阐述。于是，该期刊的投稿之路遗憾止步于此。
有意思的是，在 Advanced Materials投稿时，和上次投稿时的“历史时刻”再现，审稿人内部对该研究又开始提出各种问题和讨论。幸运的是，其中一位审稿人表示，一开始好像没太看明白，但后来懂了，并在其中受益匪浅。
“挑战传统的认知不是一件容易的事情，几经波折后，好在最后还是通过了论文审核。”感叹道。
有意思的是，该成果发表过程中的投稿不顺利，也辅助证明了空气发电效应的可持续性。因为时隔三年后研究人员再将器件从抽屉里拿出测量，其仍保持与之前同样的电压。“因此，这也更强化了对可持续性机理的支持。”说。
不局限于同一种材料，该团队基于所提出的机理模型，还验证了把两种不同的材料混合，也能产生同样的结果。因此，更加拓宽了该技术未来开发的范围。
需要说明的是，目前空气发电机理是在比头发丝还薄指甲片大小的薄膜上展示的， 其输出的电力在微瓦量级 (大概能点亮一个微型 LED)。但因为空气是在三维空间扩散的， 理论上可以通过多层薄膜叠加的方式，来增长电力输出。
据该团队粗略地估算，大概冰箱大小的尺寸可以达到千瓦级别的电力（大概可以供应一家日常用电）。当然，这也取决于周围环境中所含的电能以及如何有效的集成。
指出，它的优势不在于能量密度。“空气那么薄，不可能在小范围得到很大的能量，而我们可以利用各样的垂直的（废弃）空间随时做电力采集，以达到可观的规模。”
如果该技术未来在商业上可行或者发挥巨大的价值，要求的不仅是技术上成熟，而且在材料制备、应用上也会对低价成本提出更高的要求，以达到在发电的同时，也实现环境的可持续发展。
“我希望这领域有长足的发展，并且未来能看见空气发电技术能应用到不同的方向。期待有更多研究者在未来研究中可以提高转换效率、降低材料和制备成本，开发出各种集成方案。”他说道。
首次实现电信号和机械信号在细胞级别的同时检测
本科和硕士毕业于复旦大学，并在美国莱斯大学应用物理学专业获得博士学位。在哈佛大学化学与化学生物学系进行了博士后研究后，加入马萨诸塞大学安姆斯特分校电子和计算机工程系担任助理教授。他先后获得了获得美国自然科学基金早期职业生涯奖，马萨诸塞大学工学院杰出青年教授以及斯隆研究奖等奖项。
他的主要研究方向是纳米材料的合成和电学表征，探索新型纳米电子和生物电子设备和传感器，开发大规模组装技术，并将这些纳米元件集成到功能系统中，包括计算电路、生物芯片、可穿戴电子产品和可植入生物医学设备等。
将其课题组的研究方向定义为“交叉在生物和电子的界面”。也就是说，利用生物材料或仿照生物结构的功能去做智能化工程设计，也可以通过仿生功能器件使电子更好地与生物组织结合。
（来源：课题组）
心脏细胞的电信号像电驱动的泵那样，通过兴奋-收缩偶联将电刺激和机械跳动耦合在同一系统。一般来说，以往的手段检测单一信号，往往很难达到细胞级别的检测，因此不能更深入地了解生理或病理的原因。
此前， 团队 通过制备三维（3D）纳米晶体管，首次在细胞层面实现了对电信号和机械信号的同时检测。
这种晶体管由一根悬空的半导体硅纳米线构成，并通过微纳加工手段制备出微型阵列生物芯片（小于细胞尺寸）。在同一个器件上实现检测电信号和机械信号“合二为一”的功能，能更准确地研究兴奋-收缩偶联，深入对细胞/组织机制的监测和分析。
审稿人对该研究评价称：“该工作填补了心肌细胞机电传感器领域的不足，是通过结合机械和电信号、去探索心肌细胞特性的一个令人兴奋的应用。”
相关论文发表在 Science Advances，题目为《仿生二合一纳米晶体管传感器，用于同时测量细胞电和机械反应》（ ）[3]。马萨诸塞大学安姆斯特分校博士研究生 担任论文第一作者，为通讯作者。
图丨相关论文（来源：Science Advances）
考虑到在生物组织中放置传感器，会对生物体造成很大的干扰作用的情况。于是，该团队提出，有没有可能只放一个小于细胞的传感器，同时能采集到两个信号呢？也许通过这种方式可将生物体系的干扰降到最低。
受一般生物组织结构都有多功能性的启发（例如：一些生物丝带有多种传感功能），研究人员联想到，在传感器或许也可通过仿生设计实现多功能。表示：“我们技术与以往最大的不同在于，从前是一种宏观的测量，而不是在单细胞精度这种微观层面的测量。”
图| 三维纳米线晶体管的结构（来源：Science Advances）‍
为验证假设信号，该团队通过已知的药物分别抑制机械信号和电信号。“我们做了很多层次的测量和验证，结合光学的测量观测细胞跳动的轮廓变化，再将它与机械信号做对比，结果二者完全吻合。”他说。
认为，科研是一个开放性的命题，兴趣是很大的关键。虽然科研中经常与失败“作斗争”，但他表示：“在探索科学答案的过程中，能够认识到一些新东西，并且或者有可能借此也改善人们的生活，对我来说是非常满足的事情。”
参考资料：
, X. et al. Advanced Materials（2023）.
, X., Gao, H., Ward, generation from ambient humidity using protein nanowires.Nature578, 550–554 (2020). /s41586-020-2010-9
, H., Yang, F., Sattari, K., Du, X., Fu, T., Fu, S., ... & Yao, J. (2022). Bioinspired two-in-one nanotransistor sensor for the simultaneous measurements of electrical and mechanical cellular responses.Science Advances,8(34), eabn2485. /doi/
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