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通常当人们看到闪电时，他们会意识到大气中的水蒸气最初储存了电能。当然，历史上将闪电转化为电能的尝试都没有成功。

想象一下，如果有一种技术可以不受时间和空间的，有效地捕捉空气中水蒸气中储存的电能并将其转化为电能。会是什么样子呢？

图丨姚军、刘晓萌

近日，美国马萨诸塞大学阿默斯特分校助理教授姚军研究小组在这一概念上取得了突破。他们开发了一类空气发电机，能够收集空气中的电荷并将其转化为持续的电力。

实现此类发生器的关键是将材料加工成孔径小于100纳米的多孔结构。与太阳能、风能技术相比，空气发电具有不受时间和空间的优点。而且，这种发电现象用途广泛，可以使用多种材料来制造空气发生器。

在之前的研究中，一些材料装置可以利用周围环境的湿度变化来产生瞬时电信号。然而，此类设备无法在恒定的大气环境中产生连续的电信号，因此它们无法产生可持续的能源。

“我们在空中可持续发电领域迈出了第一步，发现了一种可应用于各种无机、有机和生物材料的通用机制，为未来广泛发展提供了基础。虽然目前的效果表明在较小的设备尺寸中，未来有潜力通过扩大规模来提供多用途电源。”姚军说道。

图丨相关论文

最近，《AdvancedMaterials》发表了一篇相关论文，题为“UniversalAirEffectsinNanoporousMaterialsforSustainableEnergyHarvestingfromAirHumidity”[1]。

美国马萨诸塞大学阿默斯特分校博士生刘晓萌为该论文的第一作者，姚军助理教授为该论文的通讯作者。

来自空气的可持续电力

雷雨中之所以有闪电，是因为水蒸气的运动造成云上下两端的电荷差。空气发电机的发电原理其实和闪电形成的原理类似。它还需要产生电荷差，这与水分子的运动有关。空气中含有大量的水分子，它们大约每100纳米就会相互碰撞一次。

姚军及其团队在薄膜材料中制备了小于100纳米的多孔结构来制备空气发生器。一方面，这些纳米级的孔隙仍然可以让空气中的水分子从薄膜的上表面渗透到下表面；但另一方面，由于孔隙较小，水分子很容易撞击孔壁，这会导致薄膜的上部和下部容易受到更多水分子的撞击。

当水分子与材料碰撞时，它们会将部分电荷转移到材料表面，碰撞较多的上表面比碰撞较少的下表面积累更多的电荷。这会造成电荷分布不平衡，类似于雷暴期间云中电荷分离产生的电力。

图丨空气发生器效果图

这项关于空气发电一般效果的研究基于2020年Nature上发表的一项研究[2]团队发现了一种由细菌合成的天然蛋白质纳米线组成的多孔薄膜，可以可持续地将空气中的水分发电到发电。

事实上，这项研究的起源是一个“偶然的错误”，因为它计划开发一种由新材料制成的湿度传感器。通常，传感器必须通电才能产生信号。然而，研究人员不小心忘记打开电源后，发现在这种情况下仍然可以产生电流，于是他们带领研究探索空气发电的可能性。

此后，研究团队也一直在思考如何将这些发现融入到实际应用中。事实上，在2020年的研究中，他们发现对原始蛋白质纳米线进行基因改造仍然可以产生相同的效果。这说明该现象具有一定的通用性，也为今后的研究铺平了道路。

那么，这种多功能性有多广泛？姚军说“在新的扩展研究中，我们做了很多表征，测量发现几乎任何纳米多孔亲水材料都可以利用空气发电。”

图丨空气发生器装置结构

由于这项研究提出了新的一般效应和机制，能否说服审稿人接受这个“新概念”成为投稿过程中最大的挑战。

一方面，这个概念相当于对传统认知的“颠覆”，显得“不合理”；另一方面，可能会对传统认知造成混乱。“有的审稿人认为这种机制不太可能，也有的审稿人认为与之前的认知没有太大区别。”姚军说道。

于是，团队花了近一年的时间补充实验，提交更多补充证明材料。就在审稿人之间的“争论”即将结束时，一位审稿人仍然认为可持续性机制需要进一步细化。结果，该杂志的投稿之路不幸就此止步。

有趣的是，当AdvancedMaterials投稿时，上次投稿的“历史时刻”再次出现，审稿人开始对该研究提出各种质疑和讨论。幸运的是，一位审稿人说，一开始他似乎不太明白，但后来他明白了，并从中受益匪浅。

“挑战传统认知并不是一件容易的事，几经周折，幸运的是终于通过了论文的评审。”姚军叹了口气。

有趣的是，这一成果的提交过程并不顺利，这也有助于证明空气发电效果的可持续性。由于研究人员在时隔三年后将该设备从抽屉中取出进行测量，其电压仍保持与之前相同。“因此，这也加强了对可持续机制的支持。”姚军说道。

不仅限于相同的材料，基于所提出的机理模型，团队还验证了混合两种不同的材料也可以产生相同的结果。因此，该技术未来的发展空间进一步拓宽。

需要注意的是，目前空气发电的机理是在比头发还细、指甲盖大小的薄膜上进行演示，其输出功率大概可以点亮微瓦级别的micro-LED。但由于空气在三维空间中扩散，理论上可以通过叠加多层薄膜来增加功率输出。

根据团队的粗略估计，一台冰箱的体积可以达到千瓦级的功率。当然，这也取决于周围环境所蕴含的电能以及如何有效地整合它。

姚军指出，它的优势并不在于能量密度。“空气太稀薄，不可能在小范围内获得大量的能量，但我们可以利用各种垂直空间随时收集电力，以达到相当的规模。”

如果该技术在商业上可行或者未来具有巨大的价值，不仅需要技术成熟度，而且在材料制备和应用方面对低成本也有更高的要求，从而实现发电的同时也实现环境的可持续发展。

“我希望这个领域能够取得长足的进步，未来，我可以看到空气发电技术可以在不同的方向上得到应用。我期待更多的研究人员能够提高转换效率，降低材料和制备成本，以及在未来的研究计划中开发各种集成技术，”他说。

首次在细胞水平同时检测电信号和机械信号

姚军毕业于复旦大学，获得学士和硕士学位，并获得美国莱斯大学应用物理学博士学位。在哈佛大学化学与化学生物学系进行博士后研究后，姚军加入马萨诸塞大学阿默斯特分校电气与计算机工程系担任助理教授。曾获美国自然科学基金会早期职业、马萨诸塞大学工程学院杰出青年教授、斯隆研究。

他的主要研究方向是纳米材料的合成和电学表征、新型纳米电子和生物电子器件和传感器的探索、大规模组装技术的开发以及将这些纳米组件集成到功能系统中，包括计算电路、生物芯片、可穿戴设备电子产品、植入式生物医学器械等

姚军将课题组的研究方向定义为“交叉于生物与电子学的界面”。也就是说，利用生物材料或模仿生物结构的功能进行智能工程设计，也可以通过仿生功能器件使电子学更好地与生物组织融合。

心脏细胞的电信号传导就像电动泵一样，通过兴奋-收缩耦合在同一系统中耦合电刺激和机械跳动。一般来说，以往的方法对单一信号的检测往往难以实现细胞水平的检测，因此无法更深入地了解生理或病理原因。

此前，姚军团队通过制备三维纳米晶体管，首次实现了细胞水平上电信号和机械信号的同时检测。

这种晶体管由悬浮的半导体硅纳米线组成，通过微纳加工方法制备微阵列生物芯片。实现在同一设备上检测电信号和机械信号的“一体化”功能，可以更准确地研究兴奋-收缩耦合以及对细胞/组织机制的深入监测和分析。

审稿人对该研究的评价是“这项工作填补了心肌细胞机电传感器领域的空白，是通过结合机械和电信号来探索心肌细胞特性的令人兴奋的应用。”

相关论文发表在ScienceAdvances上，题为“Bionic2-in-1NanotransistorSensorforSimultaneousMeasurementofCellElectricalandMechanicalResponses”[3]。美国马萨诸塞大学阿默斯特分校博士生高红艳为论文第一作者，姚军为通讯作者。

图丨相关论文

考虑到将传感器放置在生物组织中会对生命体造成很大的干扰。因此，团队提出，是否可以只放置一个比细胞还小的传感器，同时收集两个信号？也许通过这种方式可以最大限度地减少对生物系统的干扰。

受到一般生物组织结构多功能性的启发，研究人员想象传感器也可以通过仿生设计实现多功能性。姚军说“我们的技术与过去最大的区别在于，以前是宏观测量，而不是单细胞精度的微观测量。”

图|3D纳米线晶体管的结构

为了测试假设的信号，研究小组用已知药物分别抑制机械信号和电信号。“我们做了多层面的测量和验证，结合光学测量来观察细胞跳动的轮廓变化，然后与机械信号进行比较，结果完全一致。”他说。

姚军认为，科学研究是一个开放的命题，兴趣是关键。尽管科学研究经常与失败“斗争”，但他说“在探索科学案的过程中，认识到一些新的东西，或许用它来改善人们的生活，是非常令人满意的事情。”

参考

1Liu,X等先进材料

2Liu，X，Gao，H，Ward，JE等人使用蛋白质纳米线从环境湿度发电Nature578,5505542020

3Gao,H,Yang,F,Sattari,K,Du,X,Fu,T,Fu,S,Yao,J2022用于同时测量电气和机械细胞反应的仿生二合一纳米晶体管传感器科学进展，834,eabn2485

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