Generan electricidad a partir de la humedad del aire usando nanohilos de proteínas

Por Francisco R. Villatoro, el 21 febrero, 2020. Categoría(s): Ciencia • Colaboración externa • Física • Nanotecnología • Nature • Noticias • Physics • Recomendación • Science

Muchas pilas eléctricas usan un ácido en la reacción electroquímica que produce electricidad. Las proteínas están formadas por aminoácidos, que contienen un ácido carboxílico; así, bacterias como Geobacter sulfurreducens pueden generar electricidad en ambiente acuoso. Se publica en Nature la generación de electricidad a partir de la humedad del aire usando películas micrométricas de nanohilos de proteínas fabricados por estas bacterias. El prototipo desarrollado tiene un área superficial de 5 × 10 mm² y un grosor de ~7 µm, logrando una diferencia de potencial de ~0.5 V con una densidad de corriente de 17 μA/cm². Sorprende que en un ambiente con humedad constante se haya logrado una producción continua de electricidad durante 1500 horas (unos dos meses). Por muy prometedora que parezca, el recorrido futuro de esta tecnología depende de muchos factores.

Por un lado, la generación de electricidad a partir de la humedad se puede lograr por muchos métodos. La mayoría de las propuestas requieren la condensación de gotas para aprovechar el efecto electrocinético, con lo que produce picos de electricidad en lugar de una corriente continua; por supuesto, usando rectificadores se puede arreglar este problema. La ventaja de la nueva idea es que produce una corriente continua siempre que el dispositivo esté en contacto con un flujo de aire húmedo. Y por otro lado, la micropelícula de nanohilos proteicos debe estar en contacto con el ambiente húmedo; por desgracia, el ambiente degrada la película de proteínas y reduce su porosidad, clave para la adsorción de la humedad y la difusión de los protones (H+) en la película. Resolver el problema de la degradación requiere desarrollar materiales porosos adecuados que no afecten a la adsorción; este problema tecnológico aún no ha sido resuelto.

El artículo es Xiaomeng Liu, Hongyan Gao, …, Jun Yao, «Power generation from ambient humidity using protein nanowires,» Nature 578: 550-554 (17 Feb 2020), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2010-9. Por cierto, a través del Colegio de Físicos @red_cofis contactaron conmigo el miércoles por la tarde justo al salir de impartir clase; desde la cadena de radio COPE querían que contara este artículo en el programa La Linterna de Ángel Expósito. No tuve mucho tiempo para leer en detalle el artículo, así que no lo conté todo lo bien que me hubiera gustado. Puedes escuchar el audio a partir del minuto 48:30 (hasta el minuto 57:00) en la hora de 21:00 a 22:00 del programa del miércoles 19 de febrero [COPE, iVoox, iTunes].

En el ambiente controlado de un laboratorio, dentro de un armario desecador de paredes de poliestierno con inyección de un flujo controlado de aire húmedo, se ha logrado que el dispositivo funcione durante 1500 horas. La figura de arriba muestra el voltaje generado en función de la humedad relativa del aire; así el nuevo dispositivo se puede usar como sensor de la humedad relativa. Los picos que se observan en la figura se pueden suavizar usando un rectificador estándar para ofrecer un diferencia de potencial constante (del orden de 0.5 V para una humedad relativa alrededor del 60%). En esta misma figura, abajo, se observa la alimentación de un diodo LED, de un panel LCD y de un transistor de nanohilos de Ge/Si (fabricado por los autores de este artículo).

El voltaje se puede incrementar colocando varios dispositivos en serie (con 17 se alcanzan unos 10 voltios); y la corriente eléctrica colocándolos en paralelo. Para demostrar que la humedad es necesaria para el funcionamiento del dispositivo, se selló y se observó cómo caía la corriente eléctrica (de unos 150 nA a cero). Como ya he indicado más arriba, en un futuro hay que investigar técnicas de protección de la micropelícula de nanohilos de proteínas para protegerla de la intemperie ambiental.

El artículo propone una explicación del funcionamiento del dispositivo (que se ha confirmado con simulaciones por ordenador). La humedad adsorbida en la superficie la película de proteínas produce una difusión de moléculas de agua a su interior a través de los poros entre las proteínas sintetizadas por la bacteria; por cierto, se requiere un proceso de purificación de los nanohilos proteicos bacterianos para fabricar el dispositivo. El agua reacciona con el grupo carboxilo (–COOH) de los aminoácidos produciendo un gradiente de aniones carboxilato (–COO) y de protones (iones de hidrógeno, H+); así aparece un campo eléctrico dirigido de forma transversal a la película. Como resultado aparece una corriente de electrones entre los electrodos situados encima y bajo la película debido a dicho campo eléctrico. Los interesados en más detalles pueden consultar el modelo teórico (fenomenológico) del dispositivo que aparece en la información suplementaria del artículo [PDF].

En resumen, un nuevo dispositivo que genera electricidad a partir de la humedad que compite con muchas otras tecnologías. Su futuro depende de muchos factores, pero podemos soñar en paredes recubiertas con pintura que contiene estos dispositivos, o en ropa con electrónica «vestible» (wearable) insertada en el tejido junto a este tipo de dispositivos. Pero por ahora solo se dispone de prototipos de laboratorio. Queda mucha investigación, desarrollo e innovación para que lleguen al mercado, si es que acaban lográndolo.



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