Il y a vraiment de l'électricité dans l'air

Des scientifiques de l'Université du Massachusetts à Amherst ont développé un appareil qui utilise une protéine naturelle pour créer de l'électricité à partir de l'humidité de l'air, une nouvelle technologie qui, selon eux, pourrait avoir des implications importantes pour l'avenir des énergies renouvelables, le changement climatique et dans l'avenir de la médecine.

Comme indiqué aujourd'hui dans Nature, les laboratoires de l'ingénieur électricien Jun Yao et du microbiologiste Derek Lovley de l'UMass Amherst ont créé un appareil qu'ils appellent un "Air-gen" ou générateur pneumatique, avec des nanofils protéiques électriquement conducteurs, produits par le microbe Geobacter. L'Air-gen connecte les électrodes aux nanofils de protéines de manière à ce que le courant électrique soit généré à partir de la vapeur d'eau naturellement présente dans l'atmosphère.

"Nous produisons littéralement de l'électricité à partir de rien", déclare Yao. "L'Air-gen génère de l'énergie propre 24h/24 et 7j/7." Lovely, qui a fait progresser les matériaux électroniques durables basés sur la biologie pendant trois décennies, ajoute : "C'est l'application la plus étonnante et la plus excitante des nanofils protéiques à ce jour."

La nouvelle technologie développée dans le laboratoire de Yao est non polluante, renouvelable et peu coûteuse. Elle peut générer de l'énergie même dans des zones à humidité extrêmement faible telles que le désert du Sahara. Elle présente des avantages significatifs par rapport aux autres formes d'énergie renouvelable, notamment l'énergie solaire et éolienne, explique Lovley, car contrairement à ces autres sources d'énergie renouvelables, l'Air-gen ne nécessite ni soleil ni vent, et "il fonctionne même en intérieur".

Le dispositif Air-gen ne nécessite qu'un mince film de nanofils de protéines de moins de 10 microns d'épaisseur, expliquent les chercheurs. Le bas du film repose sur une électrode, tandis qu'une électrode plus petite qui ne recouvre qu'une partie du film de nanofils repose sur le dessus. Le film adsorbe la vapeur d'eau de l'atmosphère. Une combinaison de la conductivité électrique et de la chimie de surface des nanofils protéiques, couplée aux pores fins entre les nanofils à l'intérieur du film, établit les conditions qui génèrent un courant électrique entre les deux électrodes.

Les chercheurs affirment que la génération actuelle d'appareils Air-gen est capable d'alimenter de petits appareils électroniques et ils s'attendent à commercialiser bientôt l'invention. Les prochaines étapes qu'ils prévoient comprennent le développement d'un petit "patch" Air-gen qui peut alimenter des appareils portables électroniques, tels que des moniteurs de santé et de fitness et des montres intelligentes, ce qui éliminerait le besoin de batteries traditionnelles. Ils espèrent également développer des Air-gens à appliquer aux téléphones portables pour éliminer les charges périodiques.

Yao déclare : « Le but ultime est de créer des systèmes à grande échelle. Par exemple, la technologie pourrait être intégrée à la peinture murale qui pourrait aider à alimenter votre maison. Ou, nous pouvons développer des générateurs pneumatiques autonomes qui fournissent de l'électricité hors réseau. Une fois que nous aurons atteint une échelle industrielle pour la production de fil, je m'attends à ce que nous puissions fabriquer de grands systèmes qui apporteront une contribution majeure à la production d'énergie durable."

Continuant à faire progresser les capacités biologiques pratiques de Geobacter , le laboratoire de Lovley a récemment développé une nouvelle souche microbienne pour produire en masse plus rapidement et à moindre coût des nanofils de protéines. «Nous avons transformé E. coli en une usine de nanofils de protéines», dit-il. "Avec ce nouveau procédé évolutif, l'approvisionnement en nanofils de protéines ne sera plus un goulot d'étranglement pour le développement de ces applications."

La découverte d'Air-gen reflète une collaboration interdisciplinaire inhabituelle, disent-ils. Lovley a découvert le microbe Geobacter dans la boue de la rivière Potomac il y a plus de 30 ans. Son laboratoire a découvert plus tard sa capacité à produire des nanofils de protéines électriquement conductrices. Avant de venir à UMass Amherst, Yao avait travaillé pendant des années à l'Université de Harvard, où il a conçu des appareils électroniques avec des nanofils de silicium. Ils ont uni leurs forces pour voir si des dispositifs électroniques utiles pouvaient être fabriqués avec les nanofils protéiques récoltés sur Geobacter .

Xiaomeng Liu, titulaire d'un doctorat. étudiant dans le laboratoire de Yao, développait des dispositifs de détection lorsqu'il a remarqué quelque chose d'inattendu. Il se souvient : « J'ai vu que lorsque les nanofils étaient mis en contact avec des électrodes d'une manière spécifique, les appareils généraient un courant. J'ai découvert que cette exposition à l'humidité atmosphérique était essentielle et que les nanofils de protéines adsorbaient l'eau, produisant un gradient de tension à travers l'appareil."

En plus de l'Air-gen, le laboratoire de Yao a développé plusieurs autres applications avec les nanofils protéiques. "Ce n'est que le début d'une nouvelle ère d'appareils électroniques à base de protéines", a déclaré Yao.

La recherche a été financée en partie par un fonds d'amorçage par l'intermédiaire du Bureau de la commercialisation de la technologie et des entreprises de l'UMass Amherst et des fonds de développement de la recherche du Collège des sciences naturelles du campus.

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