科学家利用死亡细菌打造出一种能形成强大蒸发电池的生物膜

可穿戴的电子产品可能很快就会由死亡的微生物提供动力。来自阿默斯特大学的新研究展示了一种生物膜,它利用死亡细菌的尸体从汗液中发电--而且它至少和电池一样有效。

这项发表在《Nature Communications》上的新研究建立在先前对一种被称为Geobacter sulfurreducens的特殊菌株的研究之上。这种微生物也被称为electricigens,是已经证明在某些条件下--包括在蒸发过程中--有能力产生电力的几种微生物之一。这使得它成为用于生物膜的理想候选者,生物膜则可以粘在皮肤上,从而通过汗液的蒸发为可穿戴电子设备收集可用的电力。

到目前为止的麻烦是,保持这些微生物的活力、维持合适的条件和提供持续的原料都有些麻烦。阿默斯特团队发现,G. sulfurreducens不需要活着就能发电。事实上,当摆脱了生存的义务后它似乎工作得更好。

该论文的第一作者之一、马萨诸塞大学阿默斯特分校微生物学特聘教授Derek Lovley表示:“这要有效得多,我们通过从根本上削减所需的处理量简化了发电过程。我们在生物膜中可持续地生长细胞,然后使用这种细胞的聚集物。这减少了能源投入,使一切变得更简单并扩大了潜在的应用。”

G. sulfurreducens生长在薄薄的、垫状的菌落中,约有一张纸的厚度,其中每个微生物通过研究小组所说的“天然纳米线”连接到其邻居。研究小组利用这些垫子并用激光将小电路刻入其中。然后,它们被夹在电极之间并被包裹在一个柔软、多孔的聚合物贴片中以戴在皮肤上,这样当汗水从皮肤上蒸发时它开始发电。

有意思的是,当涉及到咸水时,这种生物膜似乎比基于无机蒸发的电流发生器效果好得多。根据研究论文,它的结构也有利于蒸发--研究人员指出,“通过生物膜的水蒸发甚至比从开放的水面上蒸发更快”。

“可穿戴电子设备的限制因素一直是电源,”马萨诸塞大学电气和计算机工程系教授、该论文的另一位第一作者Jun Yao说道,“电池耗尽必须更换或充电。它们也很笨拙、很重且令人不舒服。”该团队指出,这种生物膜产生的能量跟同等大小的电池一样多,无需喂食或照顾且永远不需要插电和充电。

本文的实验表明,生物膜皮肤贴片至少可以保持18个小时的性能并能为测量脉搏、呼吸和其他身体信号的应变传感器供电。当相互连接时,生物膜片为一个激光图案的可穿戴式电化学葡萄糖传感器供电。在实验室测试中,这些生物膜在测试的第35天显示出与第一天相似的性能。

但这里的潜力可能比可穿戴设备要大得多。这项研究指出,其结果表明,生物膜片是一种创新的、可持续生产的材料,它能从基于蒸发的发电中进行可扩展的电力生产,“”微生物细胞组织成高度通道化、高表面积材料的其他战略可能是可行的。微生物的普遍性和它们形成生物膜的倾向性表明在不同的环境中通过类似的基于蒸发的策略来收集电力的可能性。”

如果这被证明可以在大面积上扩展,那么到达地球的大量太阳能中约有50%是在水蒸发的过程中被吸收的,也许这项技术可以代表一种利用这种能量的方式--尽管这肯定是一个漫长的过程。

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投稿时间:2022-08-04  最后更新:2022-08-04

标签:电池   生物   膜片   汗液   可持续   穿戴   微生物   细菌   科学家   细胞   强大   皮肤   电力

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