會(huì)“發(fā)電”的壁紙

鄭晶敏

藍(lán)藻，一種古老的光合微生物，在地球上已經(jīng)存在超過30億年?，F(xiàn)在它卻常因?yàn)閷?dǎo)致水源大面積污染而被人為清理。

但實(shí)際上，藍(lán)藻對(duì)環(huán)境的正面影響更大。科學(xué)家們也關(guān)注到這一點(diǎn)，正在積極想辦法利用它來更經(jīng)濟(jì)地制造清潔能源。

作為地球上首批出現(xiàn)的原核生物，藍(lán)藻是最早的光合放氧生物，參與了當(dāng)年通過光合作用將地球表面的無氧大氣環(huán)境變?yōu)橛醒醐h(huán)境的過程?？梢哉f，如果沒有藍(lán)藻，這個(gè)藍(lán)色星球上所有依賴氧氣的生物—包括人類便不會(huì)有生存的機(jī)會(huì)。

來自英國帝國理工學(xué)院、劍橋大學(xué)和中央圣馬丁學(xué)院的科學(xué)家們最近就發(fā)現(xiàn)，這種古老的生物不僅能夠提供氧氣，還可以“發(fā)電”。由上述三所大學(xué)組成的研究小組正在研發(fā)一種以藍(lán)藻為原料、會(huì)“呼吸”的壁紙—從實(shí)際作用上看，它其實(shí)可被看作一種生物太陽能發(fā)電板。

藍(lán)藻壁紙的制作過程類似于普通壁紙—通過噴墨打印得到圖案，只不過前者使用的墨水是由藍(lán)藻制成濃稠溶液。這個(gè)過程的復(fù)雜之處在于，為了讓“生物墨水”具備導(dǎo)電性，研究人員需要先將藍(lán)藻印在導(dǎo)電的碳納米管上，然后一起打印在紙上。

“碳納米管與藍(lán)藻相容，被打印之后的藍(lán)藻依然能夠存活并生長?！钡蹏砉W(xué)院博士后研究員Marin Sawa對(duì)《第一財(cái)經(jīng)周刊》說，“碳納米管導(dǎo)體的作用是獲取從藍(lán)藻中排泄出的電子，并形成電路的主要元素陽極和陰極?！?/p>

巧合的是，位于加拿大康考迪亞大學(xué)光生物微系統(tǒng)的一個(gè)研究小組去年設(shè)計(jì)了一種微光合電池，其中，電池的陽極室就含有藍(lán)藻，可將電子釋放到位于陰極的氧化還原劑電極表面，它還含有一個(gè)外部負(fù)載用以提取電子。該電池可產(chǎn)生993毫伏的開路電壓，功率密度為每平方厘米36.23瓦。

準(zhǔn)確來說，藍(lán)藻壁紙的原料是一種名為集胞藻的單細(xì)胞球形藍(lán)藻。集胞藻的直徑約為2微米，相當(dāng)于人類頭發(fā)直徑的1/50。其體內(nèi)的葉綠素使它能和植物一樣發(fā)生光合作用，利用光能將空氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為生物量，這也是生物電池得以運(yùn)轉(zhuǎn)的能量來源。

集胞藻不僅能在陽光下進(jìn)行光合作用，在微弱、短時(shí)光的刺激，甚至是黑暗條件下，它也可以利用自身體內(nèi)葡萄糖維持生命活動(dòng)，這在生物學(xué)里稱為異養(yǎng)生長。但前提是短時(shí)光照時(shí)間必須不短于5分鐘。

“藍(lán)藻壁紙其實(shí)是一個(gè)半衰期系統(tǒng)，生物發(fā)電的質(zhì)量取決于壁紙上藍(lán)藻的健康狀況?！盡arin Sawa說。這意味著，一旦被制成壁紙，藍(lán)藻就進(jìn)入了生命衰退期。因此該項(xiàng)研究的核心技術(shù)就是藍(lán)藻的固體培養(yǎng)。

“盡管我們都很熟悉生長在石像和建筑表面的藍(lán)藻，但人工固體培養(yǎng)藍(lán)藻，還是一個(gè)未完全開發(fā)的領(lǐng)域?！睋?jù)Marin Sawa介紹，在目前的試驗(yàn)中，基于紙張的藍(lán)藻電池系統(tǒng)的發(fā)電量可以穩(wěn)定持續(xù)4天。如何延長系統(tǒng)壽命，是研究小組接下來要克服的難題。

一旦突破了固體培養(yǎng)藍(lán)藻的難題，將激發(fā)藍(lán)藻的許多潛在價(jià)值，比如利用藍(lán)藻和藍(lán)藻細(xì)菌數(shù)字打印健康食品。沒錯(cuò)，藍(lán)藻本身就是一種可食用的藻類，西北地區(qū)盛產(chǎn)的發(fā)菜的原料就是藍(lán)藻中的念珠藻和螺旋藻。一些擁有固氮能力的藍(lán)藻，比如魚腥藻，還是優(yōu)質(zhì)的肥 料。

一塊iPad大小的藍(lán)藻壁紙可以為電子表、LED燈等小型設(shè)備供電。在研究小組的設(shè)想中，它還是一種可以偽裝成墻紙的、用于檢測(cè)空氣質(zhì)量的生物傳感器。但目前藍(lán)藻壁紙過低的功率還不足以支撐大型設(shè)備的能耗，使用時(shí)間非常有限。

相比光伏發(fā)電，藍(lán)藻壁紙通過生物光合作用獲得的電功率有限，為此研究小組根據(jù)其生物性的優(yōu)勢(shì)為其找到了特定的應(yīng)用方向?！皞鹘y(tǒng)的光伏材料廢棄后會(huì)給環(huán)境帶來負(fù)擔(dān)，但生物電池可降解，這種環(huán)境友好性在傳統(tǒng)光伏材料的基礎(chǔ)上很難實(shí)現(xiàn)。”參與該項(xiàng)目的帝國理工學(xué)院生命科學(xué)博士Andrea Fantuzzi告訴《第一財(cái)經(jīng)周 刊》。

這意味著生物電池非常適合作為“一次性能源”。而集胞藻在黑暗中依然能夠生長的特性，使它能夠在生命周期內(nèi)源源不斷地提供電能?！霸谧陨頍艄庀拢镫姵貙?shí)際上同時(shí)在為自己充電?！盇ndrea Fantuzzi說。

盡管藍(lán)藻壁紙不能像傳統(tǒng)太陽能電池那樣適用于大規(guī)模電力生產(chǎn)，但對(duì)于低功率要求的設(shè)備，比如環(huán)境傳感器和生物傳感器，卻是理想的電源選擇。據(jù)Andrea Fantuzzi介紹，近年來，護(hù)理診斷和環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域出現(xiàn)了大量針對(duì)廉價(jià)并可一次性使用的環(huán)境友好型設(shè)備的研究?！坝绕涫窃趥鹘y(tǒng)太陽能發(fā)電技術(shù)難以觸及的貧困地區(qū)，這種基于紙張的電力供應(yīng)將發(fā)揮巨大價(jià)值?！?/p>

將基于紙張的生物光合發(fā)電技術(shù)與生物傳感器技術(shù)相結(jié)合，制成一次性使用的可降解的紙質(zhì)生物傳感器，將為疾病診斷帶來便利，比如它可以為糖尿病患者監(jiān)測(cè)血糖水平等健康指標(biāo)。使用后產(chǎn)生可降解的醫(yī)療廢品，最大程度降低對(duì)環(huán)境的影響。此外，低廉的成本也將緩解許多國家緊張的醫(yī)療預(yù)算和資源。

生物電池研究的另一項(xiàng)重要技術(shù)是電子印刷技術(shù)?！半娮佑∷⒓夹g(shù)可以打印電池，也可以擴(kuò)展到整個(gè)電子元件，”Andrea Fantuzzi說，“印刷的電子產(chǎn)品正在飛速發(fā)展，在不久的將來，電子元件可以完全由印刷技術(shù)在紙上制造?！北M管目前大部分傳統(tǒng)電子設(shè)備廠商使用的基于紙張的電子印刷元件更多是因?yàn)榱畠r(jià)而非環(huán)?！山到獾碾娮釉€未出現(xiàn)—但低成本給了研究人員更多空間研發(fā)可降解的電子元件。

不過在商業(yè)化之前，如何提高藍(lán)藻電池的功率輸出和使用壽命也是研究小組急需解決的問題。Andrea Fantuzzi提出，通過提高電路的導(dǎo)電率和絕緣性能得到提高輸出功率的目的。具體實(shí)現(xiàn)方法是減少水凝膠的蒸發(fā)，以提高電路穩(wěn)定性。此外，Andrea Fantuzzi還將研究生活在沙漠等惡劣條件下的懶感菌菌株，試圖找到壽命更長的藍(lán)藻。

英國帝國理工學(xué)院的Marin Sawa則在研發(fā)新的納米材料，以提高生物電池的導(dǎo)電性?！把邪l(fā)的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于制造成本，我們?cè)诟倪M(jìn)電池性能的同時(shí)，也盡可能想方設(shè)法為大規(guī)模制造節(jié)省成本，以更好地實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)化?！彼f。