只要有空氣就能持續發電？這聽起來更像是科幻小說的情節。不過，近期
Nature 上刊發的馬薩諸塞大學阿姆赫斯特分校Jun Yao教授團隊的一篇論文，卻實實在在地報道了這樣一個器件。器件的核心材料看起來並不算太複雜：把提取自廣泛存在於土壤的一種細菌（硫還原地桿菌，Geobacter sulfurreducens）的蛋白質納米線分散在水溶液中，滴在玻璃片等基底上，將水蒸發掉，就能得到由蛋白質納米線交織形成的具有網絡結構的薄膜（圖1a）。在這個薄膜上下各放上一片金電極（尺寸不同，下面大，上面小，這很關鍵，後文會解釋），形成的器件在空氣中竟然能持續輸出電能超過20小時。測量它的I-V曲線可以看到，曲線並不過原點，與橫縱軸的交點分別代表著它作為一個電池的開路電壓（0.5 V）和短路電流（250 nA）。
圖1. 蛋白質納米線發電器件的結構和輸出。圖片來源：Nature
器件結構不復雜，但事情似乎越來越複雜了。器件核心材料居然不是能源領域熱門的鈣鈦礦、二維材料等等，只是從常見細菌中提取的蛋白質；還有，儘管產生的電能不算多，但能量不會無緣無故產生，這種發電器件的能量源頭又在哪裡？
其實，該文一作、Yao實驗室的研究生Xiaomeng Liu在兩年前就已經發現了蛋白質納米線能自發產生電流的有趣現象，但找到電能來源和工作機理卻花費了他們很長時間。[1]
在後續研究中，他們發現：
1）發電現象高度可重複，只要薄膜厚度以及環境溼度相當；
2）在黑暗環境下也能觀察到，排除了光伏現象的干擾；
3）改變環境溼度會影響輸出（圖1d，溼度直接影響輸出電壓）；
4）輸出非常持久，說明不是因為測量中出現的充電現象；
5）金電極為惰性電極，自身不會由電化學腐蝕等干擾，且將電極替換為碳電極也能觀察到該現象；
6）除去空氣中的氧氣和氮氣沒有影響；
7）分析測試表明蛋白質納米線在發電過程中並未降解，也不存在能誘發電流的雜質。
這些結果指向一種可能性：空氣中存在的少量水蒸氣或許就是電能的源泉。
此前，科學家們就已經在利用空氣中的水來獲取能量。例如，曲良體教授等人於2015年就在Advanced Materials 上報道了他們用氧化石墨烯膜實現的溼度向電能的轉換 [2]，並在之後持續推進這個過程的發電效率。另外，不光從空氣中吸水可以產生電能，水蒸發到空氣中的過程也可以用來發電，周軍教授、郭萬林教授、鄧少芝教授和陳建教授等人2017年在Nature Nanotechnology 上發表論文 [3]，報道在納米結構的碳材料表面進行水蒸發也能夠產生電壓，他們藉助於廉價的碳黑片層材料，利用水蒸發可以在常溫條件下產生近1 V的可持續電壓。
圖2. 在器件中的溼度梯度。圖片來源：Nature
回到這種蛋白質納米線發電器件，空氣溼度產生電能的原因在於，它能在器件中建立起水的濃度梯度。通過分析，50%的空氣溼度下，8微米厚的蛋白質納米線薄膜中，上表面中水的重量分數約為27%，而到下表面水的重量分數僅為3%。這裡需要指出，器件中的關鍵設計是——覆蓋在薄膜上的金電極面積必須較小，否則無法產生梯度（如圖2d）。這裡溼度梯度產生電能的具體原因還不明確，可能的機制是：由於蛋白質納米線上有大量的羧基，溼度梯度造成薄膜上下的羧基電離程度不同，從而產生質子濃度梯度，由此兩個電極的化學勢出現差異。
圖3. 溼度梯度在薄膜上下產生質子濃度梯度。圖片來源：Nature
該器件的一個重要優勢在於，輸出功率密度比此前類似研究提高了2個數量級。而且，輸出電流和電壓能夠通過增加膜面積和串聯多個器件得到放大。作為演示，作者用空氣溼度點亮了LED燈、顯示器、以及晶體管。
圖4. 器件的放大和實用演示。圖片來源：Nature
這是不是意味著：以後出門不用帶充電寶了？還真有可能。這項研究的另一個亮點是，該器件在非常寬的溼度範圍內都能發電，無論是沙漠的乾燥空氣（溼度約20%）還是亞熱帶甚至熱帶的溼潤空氣（溼度約100%），極大的拓寬了應用場景。當然，該器件最佳工作溼度是40-50%（也是人感覺比較舒服的溼度）。
唯一的麻煩，看起來可能是蛋白質的來源——硫還原地桿菌不太容易大規模培養。這一問題也有研究者嘗試使用基因工程的方法來解決，他們使用容易培養的大腸桿菌來生產這種蛋白質納米線。[4]
期待這些研究（以及更多研究）能以不同的方式緩解能源危機，方便人們的生活。
Power generation from ambient humidity using protein nanowires
Xiaomeng Liu, Hongyan Gao, Joy E. Ward, Xiaorong Liu, Bing Yin, Tianda Fu, Jianhan Chen, Derek R. Lovley & Jun Yao
Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2010-9
1. Electric bacteria create currents out of thin- and thick-air
https://www.sciencemag.org/news/2020/02/electric-bacteria-create-currents-out-thin-and-thick-air
2. Direct Power Generation from a Graphene Oxide Film under Moisture. Adv. Mater., 2015, 27, 4351-4357, DOI: 10.1002/adma.201501867
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201501867
3. Water-evaporation-induced electricity with nanostructured carbon materials. Nat. Nanotechnol., 2017, 12, 317–321, DOI: 10.1038/nnano.2016.300
https://www.nature.com/articles/nnano.2016.300
4. An Escherichia coli Chassis for Production of Electrically Conductive Protein Nanowires. bioRxiv, 2019, DOI: 10.1101/856302
https://www.biorxiv.org/content/10.1101/856302v1
（本文由荷塘月供稿）
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