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用空氣就能發電?以蛋白質奈米線製成的 Air-gen 發電機

linjunJR_96
・2020/08/18 ・1551字 ・閱讀時間約 3 分鐘

利用自然生成的蛋白質奈米線,「空氣發電」的科幻情節已經在實驗室中成真。

乾淨的再生能源是人類社會夢寐以求的聖杯。不過,直到目前為止,綠色能源往往受限於環境條件,很難成為主要的供電來源。這樣看起來,想要借用大自然的力量發電,好像就得接受隨之而來的諸多限制。

嚴格說來,風與陽光都可遇不可求。除了用愛發電之外,真正隨處可見的,應該就是空氣了。要是能有某種單靠空氣就可以發電的裝置,那該有多好!

躺著就能發電!Air-gen 空氣發電機

不說你不知道,還真的有這種東西。來自麻州大學的研究團隊,日前打造了 Air-gen 空氣發電機。這種發電機和一般印象中的發電機不太一樣,沒有巨大的渦輪或複雜的動力系統,而是由區區一片薄膜和兩個電極組成。薄膜下方是整片的電極,上方電極則相對較小,讓薄膜能接觸到空氣。

Air-gen 裝置,乍看挺厚的,但實際厚度只有幾微米。圖/Liu et al, 2020

這片薄膜不到十微米厚,裡面卻塞滿了許多微小的蛋白質奈米線(右下),而這些線,是由一種特殊的微生物 Geobacter sulfurreducens(左下)產生出來的。

薄膜內塞滿了由特殊的微生物(左)製造出的蛋白質奈米線(右)。圖/Liu et al, 2020

這片神奇的薄膜會吸收空氣中的濕氣,讓薄膜上下產生濕度差異。奈米線特殊的表面化學性質,會將產生出的濕度差轉化為電壓,再由電極吸收儲存,成為我們能夠利用的電力。

這種「濕度差發電」其實算不上新發現,不過以往的技術續航力不足,只能提供一分鐘左右的電力。而本文介紹的這片小小薄膜卻威力十足,能夠維持二十小時的連續電流,甚至可以驅動小型電器。此外,就算是在室內或是氣候乾燥的地區,Air-gen 還是能夠正常運作。

薄膜發電,開啟無限機會

研究人員希望能很快開始大量生產 Air-gen,為能源產業帶來全新革命。有了這麼輕薄的發電裝置,穿戴裝置不再需要電池,也不用擔心手機電量不夠了。此外,如果把類似的生物材料用於牆壁塗料,或許也可以用房屋的牆壁來供應用電!

如果能把生物材料用於牆壁塗料,那你家的牆壁就可以發電了!圖/pxfuel

不過,如果要實際投入產業應用,就必須在合理的成本內,更快速地生產蛋白質奈米線。研究團隊對此,已成功開發出一種新型微生物,能夠勝任這個工作。主導研究計畫的 Derek Lovley 提到:「在我們的努力下,大腸桿菌可以變成奈米線工廠。因此在大型生產階段,原料再也不會是個問題。」

結合不同領域,帶來技術突破

值得一提的是,這項創新是跨領域合作的結晶。Geobacter sulfurreducens 這種微生物在 30 年前就由 Derek Lovley 在河流中發現。接著他又觀察到這種生物能夠產出可導電的蛋白質細絲,成為 Air-gen 的第一塊拼圖。另一塊拼圖則是電機工程師 Jun Yao。他原本在哈佛大學研究矽元素奈米線,利用其特殊的材料性質設計不同裝置。

兩個領域的人才攜手合作,用生物性的蛋白質細絲,打造出再生能源的全新設計。

除了 Air-gen 之外,Jun Yao 的實驗室也積極開發蛋白質奈米線的其他應用。Yao 信心滿滿地說道:「全新的時代正要開始,以蛋白質材料為基礎的電子產品即將到來。」

本文編譯自 New green technology generates electricity ‘out of thin air’

參考資料

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科學生跟著課程進度每週更新科學文章並搭配測驗。來科學生陪你一起唸科學!

文章難易度
linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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泡藥的蝦仁蚵仔肥美飽滿?磷酸鹽為什麼這麼神奇?

安比西林_96
・2021/04/02 ・2876字 ・閱讀時間約 5 分鐘

每隔一段時間,就會在新聞上傳出有「黑心海鮮」如蝦仁、蚵仔添加了磷酸鹽「增肥」的新聞。為什麼磷酸鹽會有這樣的效果?

讓蝦仁等水產變得水噹噹的磷酸鹽到底有什麽問題?圖/轉自華視新聞

事實上,磷酸鹽除了屬於合法的「食品添加物」,可以在規定範圍內添加於肉製品及魚肉煉製品(像是貢丸、魚丸),它也是生物體中原本就常見並且不可或缺的化學物質,具有重要的生理功能。

磷酸鹽類在自然中很常見,存在於溪流、河川、海洋中。我們日常使用的肥料、洗碗精中,也多含有磷酸鹽。由於磷也是藻類重要的營養來源,因此要特別注意人類污水的排放,以免過量的磷酸鹽導致水體優養化(Eutrophication)。

當水中的磷酸鹽含量過高時,水體會發生優養化,藻類大量繁殖造成水質惡化。圖/wikimedia

讓酸鹼平衡、保護細胞的功臣——緩衝劑

細胞的生理反應,都需要在穩定酸鹼值環境下才能順利進行,而磷酸鹽在生物體中的最重要的功能,就與磷酸能夠平衡穩定「酸鹼」的性質,有很大的關聯。

歷史上,科學家為了搞清楚酸和鹼到底是什麽,做了不少努力。1884 年,阿瑞尼士(Arrhenius)提出在水溶液中解離出氫離子(H+)的是酸,解離出氫氧根離子(OH的則是鹼,這也是最為人所知的定義。

不過同樣是解離出氫離子與氫氧根離子,也是有分強弱的。解離效率很好的酸如硫酸、鹽酸,就是我們一般所說的強酸;而相對應解離氫氧根離子效率很好的鹼如氫氧化鈉、氫氧化鈣,就是強鹼了。和實驗室常見的强酸如鹽酸、硝酸不同,磷酸是可以解離出三個氫離子、形成三種不同酸根的三元弱酸

提出酸鹼質子理論的布倫斯惕(Brønsted,左)和勞里(Lowry,右)。圖/wikipedia

但布倫斯惕(Brønsted)和勞里(Lowry)認為阿瑞尼士的酸鹼定義還不夠,他們進一步擴充:凡是能給出質子H+)的物質都是酸,凡能接受質子H+)的物質都是鹼。在這「一個願給,一個願收」的關係中,反應物與產物被稱為「共軛酸鹼對」:反應物是酸的話,產物就是共軛鹼;反應物是鹼的話,產物即為共軛酸。(後來路易斯(Lewis)將酸鹼定義擴大至電子的給予和獲得角度,詳細可參閲 路易斯酸與鹼

所謂的緩衝溶液(buffer solution),就是由弱酸及其共軛鹼(或弱鹼及其共軛酸)所組成的緩衝對配製的。有打電動的人應該知道,「加 buff」就是用各種道具增强玩家的能力,「buff」英文原意為「增强」,加上 -er 變成「buffer」,即有引伸為「保護以抵禦傷害」的意思。因為緩衝溶液具有緩衝對,在加入酸或鹼時,都能跟對方反應進行酸鹼中和,可以減緩 pH 值改變,對細胞能在穩定酸鹼平衡下正常工作,可説是功不可沒。

磷酸為三元弱酸,其解離方程式與酸解離常數 (Acid dissociation constant, Ka) 如上。

而不管在酸性、中性、或是鹼性環境中,磷酸都能解離出維持酸鹼平衡的緩衝對。作為理想的緩衝劑,磷酸的緩衝對不止存在於血液中,磷酸鹽更被廣泛地利用在食品的添加物中。

磷酸鹽毒性低又多功能?切勿亂用!

磷酸鹽家族成員衆多,具有不同的形態包含正磷酸 (ortho)、焦磷酸(pyro)、三聚磷酸 (tripoly)、及多聚合磷酸 (poly/meta)。介於 pH 4(中等酸性)到 pH 12 強鹼性的各類磷酸鹽,以不同比例調配的話,就可以得到 pH 值穩定在 pH 4.5 ~ 11.7 之間的緩衝劑,可適用於大多數落於 pH 3.5 ~ 7.5 的食品中 。

食物如生鮮肉品在屠宰後,會因為細胞繼續進行無氧(anaerobic)代謝作用而累積乳酸(lactic acid),改變原本酸鹼值和脫水。而磷酸鹽緩衝劑的特性,可以調整食物的 pH 值,使食物能維持原本的色彩。除了作為 pH 調節劑和穩定劑,磷酸鹽也具有很好的保水作用。磷酸鹽也能和肉組織中的鈣鎂離子結合,讓其中的肌肉蛋白鬆弛,使水分可以被維持在組織中,增加肉的口感和顔色。同時和鈣鎂離子的結合,也能減慢氧化腐敗的作用。

加入磷酸鹽,對改善食物風味的特質有諸多好處,加上毒性低,因此成為被廣泛應用的食品添加劑。儘管磷酸鹽包辦了各種功能,是合法的食品添加物,但使用上仍有法規限制。根據《食品添加物使用範圍及限量暨規格標準》規定,水產方面只限用於貢丸和魚丸等加工食品,用在生鮮水產品如蚵仔或蝦仁可是違法的!

所以磷酸鹽可以用在蝦仁蚵仔上嗎?答案是:違法!圖/Pixabay

吃太多磷酸鹽也是母湯

磷酸鹽存在於日常所吃的各種食物中,已是不爭的事實,為什麽媒體報導和 line群組訊息中,總是大肆渲染食物中添加磷酸鹽的問題呢?

儘管磷酸鹽自然存在於生物體内,但如前面提到的,由於磷酸根會傾向與鈣離子結合,若攝入體内的磷酸鹽過量,便會影響人體鈣離子的吸收,造成骨質疏鬆、血管鈣化等健康問題。此外,過多的磷酸鹽,也會對腎臟造成很大的負擔,長久大量攝取,容易引起腎臟功能。

那麽,一個人正常合理的磷酸鹽攝取量又是多少呢?

除了加工肉品,其他食物如麵包、乳製品中也都常用磷酸鹽作爲食品添加物。圖/Pixabay

根據現行「食品添加物使用範圍及限量暨規格標準」,食品中磷酸鹽的用量不可超過 3g / kg 。目前歐盟訂定的每日容許攝取量(Acceptable daily intake, ADI),則是 40 mg / kg。對於一個體重 70 kg 的成年人而言,大約是每天 2.8 g 的磷。而「國人膳食營養素參考攝取量」的每日營養素建議攝取量中,13 至 18 歲的青少年建議每日攝取 1000 mg 的磷,成人則為 800 mg。假設一根 50 g 的市售香腸磷含量為 1.50 g/kg,那麽一個青少年一天大約吃 13 根香腸會超過建議攝取量。13 根香腸聽起來有點多,但天然食物中也含有磷,別忘了將其他食物也納入每日磷攝取量的考量中。

總而言之,對於食物中加入磷酸鹽一事,我們不必過度憂慮,只要注意日常攝取量不要超標即可。但在生鮮水產中加入磷酸鹽仍屬違法行為,作為消費者,看見水噹噹、肥美得過分的蝦仁蚵仔,還是需要小心警惕!

參考資料:

  1. 緩衝溶液
  2. 認識食物中的磷與磷酸鹽
  3. 磷酸鹽在食(肉)品加工中的應用
  4. 食品添加物使用範圍及限量暨規格標準
  5. EFSA issues new advice on phosphates
  6. 國人膳食營養素參考攝取量

安比西林_96
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本職為生態環境領域的可撥煙酒生。 不定時掉落科普文章。 大家一起嗑科科(❍ᴥ❍ʋ)
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