Publicado el día 17 de febrero de 2020 en Nature y recogido por el periódico ABC
Científicos de la Universidad de Massachusetts Amherst (EE.UU.) han desarrollado un dispositivo que utiliza una proteína natural para generar electricidad a partir de la humedad del aire. La nueva tecnología podría ser utilizada para el desarrollo de dispositivos portátiles electrónicos como monitores de salud, relojes inteligentes e incluso teléfonos móviles que no haya que cargar periódicamente. Al tiempo, podría tener implicaciones significativas en la lucha contra el cambio climático y el futuro de las energías renovables.
Los investigadores llaman al dispositivo «generador de aire» o «generador alimentado por aire» (Air-gen). Emplea nanocables de proteínas conductores de electricidad (Fig. 1b) producidos por la bacteria Geobacter sulfurreducens (Fig. 1a). El Air-gen conecta electrodos a los nanocables de proteínas de tal manera que se genera corriente eléctrica a partir del vapor de agua presente de forma natural en la atmósfera (Fig. 1)
Barata y limpia
La nueva tecnología desarrollada en el laboratorio de Yao es no contaminante, renovable y de bajo costo. Puede generar energía incluso en áreas con humedad extremadamente baja, como el desierto del Sáhara. Tiene ventajas significativas sobre otras formas de energía renovable, como la solar y la eólica, dice Lovley, porque a diferencia de estas otras fuentes de energía renovable, el Air-gen no requiere luz solar o viento, e «incluso funciona en interiores».
Los investigadores explican que el dispositivo Air-gen solo requiere una película delgada de nanocables de proteínas de menos de 10 micras de espesor. La parte inferior de la película descansa sobre un electrodo, mientras que un electrodo más pequeño que cubre solo una parte de la película de nanocables se encuentra en la parte superior. La película absorbe el vapor de agua de la atmósfera. Una combinación de la conductividad eléctrica y la química de la superficie de los nanocables, junto con los poros finos entre los nanocables dentro de la película, establece las condiciones que generan una corriente eléctrica entre los dos electrodos.
Fig. 1. a, Top, TEM images of the purified nanowire network (right panel) produced by the microorganism Geobacter sulfurreducens (dark shape in the left panel). Scale bars, 100 nm. Bottom, diagram of the device structure. b, Typical I–V curves from the device with ambient lighting (red) and in the dark (black) at an ambient relative humidity of about 50%. c, Evolution of I (red) and Vo (black) from a nanowire device in the ambient environment (at a relative humidity of about 50%). The device initially had a Vo of approximately 0.52 V (at times from 0 to 5 h). Connecting to a load resistor (RL = 2 MΩ) yielded a continuous and gradually stabilized I of about 110 nA for 20 h (red curve; 5 h to 25 h). Then RL was disconnected and Vo was recorded (indicated by the arrow at t = 25 h). Vo gradually increased to the initial value of 0.5 V (from 25 h to 30 h), showing a self-recharging process. Reconnecting to RL yielded a repeated continuous powering to the RL (I is approximately 115 nA) (red curve; 30–50 h). Disconnecting the RL yielded a second self-recharging process (50–55 h), which brought Vo back to 0.5 V again. The inset shows the circuit diagram, in which connections to terminals 1 and 2 correspond to I and Vo measurements, respectively. d, A continuous recording of Vo from a device for more than two months. The ambient relative humidity (blue curve) was also recorded.
Los investigadores dicen que la generación actual de dispositivos Air-gen puede alimentar pequeños dispositivos electrónicos y esperan llevar la invención a escala comercial pronto. Los próximos pasos que planean incluyen el desarrollo de un pequeño «parche» Air-gen que puede alimentar dispositivos portátiles electrónicos como monitores de salud y de estado físico y relojes inteligentes, lo que eliminaría el requisito de baterías tradicionales. También esperan poder aplicarlos a los teléfonos móviles para eliminar la carga periódica.
En la pintura de la pared
«El objetivo final es hacer sistemas a gran escala. Por ejemplo, la tecnología podría incorporarse en la pintura de la pared, que podría ayudar a alimentar su hogar. O, podríamos desarrollar generadores autónomos alimentados por aire que suministren electricidad a la red», dice Yao. «Una vez que lleguemos a una escala industrial, espero que podamos hacer grandes sistemas que contribuyan de manera importante a la producción de energía sostenible», subraya.
El descubrimiento de Air-gen refleja una colaboración interdisciplinaria inusual. Lovley descubrió la bacteria Geobacter en el lodo del río Potomac hace más de 30 años. Más tarde, su laboratorio descubrió su capacidad para producir nanocables de proteínas conductores de electricidad. Antes de llegar a Amherst, Yao había trabajado durante años en la Universidad de Harvard, donde diseñó dispositivos electrónicos con nanocables de silicio. Se unieron para ver si podían fabricarse dispositivos electrónicos útiles con los nanocables de proteínas obtenidas de Geobacter.
Xiaomeng Liu, estudiante en el laboratorio de Yao, fue quien cerró el círculo. Mientras desarrollaba dispositivos sensores notó algo inesperado: «Vi que cuando los nanocables se ponían en contacto con los electrodos de una manera específica, los dispositivos generaban una corriente. Descubrí que esa exposición a la humedad atmosférica era esencial y que los nanocables de proteínas absorbían agua, produciendo un gradiente de voltaje en el dispositivo», explica.
