Проектирование рассола, работающего на водяном паре

Dec 12, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 13999 (2022) Цитировать эту статью

1338 Доступов

1 Цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Водяной пар увеличивает электропроводность шелковых коконов, человеческих волос, джута и кукурузных рылец. Это явление неясно. В настоящем исследовании рентгеноструктурный анализ коконов показал, что водяной пар снижает присутствие на поверхности низкоэнергетических частиц углерода (C–C, C–H). Напротив, электронно-плотные и высокоэнергетические частицы углерода (C–N, C=C, C=O) остались неизменными, что, возможно, усиливает скачок поверхностного заряда. Хотя водяной пар улучшает проводимость, недостаток носителя заряда уменьшает этот эффект. Мы увеличиваем носитель заряда, замачивая кокон в водном растворе поваренной соли (NaCl) для усиления тока. Обработка солью с последующим 2-минутным воздействием водяного пара приводит к резкому увеличению тока (3,6 ± 1,07 мА, n = 12; среднее ± SE) от исходного уровня (0,06 ± 0,02 мА, n = 12). Через 1 ч он сохраняет среднее значение 0,39±0,12 мА; n = 12, что указывает на сдвиг базовой линии вверх. Каждый раз, когда кокон заряжается водяным паром, следующий цикл зарядки начинается после высыхания кокона. Вдохновленные экологией кокона, мы демонстрируем чередующийся цикл «водяной пар – сухой воздух» для быстрой зарядки и разрядки батареи-кокона. Наконец, мы разработали прототип самосветящегося чайника и панелей водяного пара для футуристических домов, используя «биобатарею белка-кокона из рассола и шелка», где влажное отходящее тепло генерирует электричество.

Мембранные белки, присутствующие в клетках, служат биоинспирацией для биопроизводства футуристических устройств по сбору и хранению энергии1,2. Неизбежными проблемами проектирования и изготовления таких устройств являются сложность выделения таких белков и короткий срок их хранения. Чтобы предвидеть эти проблемы, мы подошли к решению проблемы с помощью естественного прочного шелкового кокона с белковой мембраной3.

Шелковый кокон — белковая оболочка, образуемая чешуекрылыми насекомыми. Жизненный цикл чешуекрылых насекомых состоит из четырех стадий: яйцо, личинки, куколки и взрослая моль. Взрослая бабочка откладывает яйца, из которых появляются личинки. Личинки жадно поедают листья растений и обильно выделяют вязкую слюнную жидкость, богатую белком, называемую шелком. Он вращал эту шелковистую жидкость вокруг своего тела, образуя тем самым плотную защитную камеру-кокон. Он знаменует собой начало фазы куколки (фазы покоя или диапаузы) в жизни насекомого. Эта фаза варьируется от 21 дня до 9 месяцев у некоторых видов червей, обитающих в регионах мира с умеренным климатом. Как только этот вынужденный покой завершается, из кокона выходит взрослая бабочка. Весь этот процесс представляет собой метаморфозу4,5.

Кокон — это инкубатор, который поддерживает температуру окружающей среды и избирательно способствует диффузии углекислого газа за пределы кокона5. Он защищает развивающиеся куколки от прямых солнечных лучей, дождя, ветра и парникового эффекта6,7,8. Уменьшение размера пор снаружи и внутри мембраны из белка шелка предотвращает просачивание воды внутрь шелкового кокона, что делает его водонепроницаемой мембраной9,10,11. Резкие УФ-лучи поглощаются поверхностью кокона антиоксидантными соединениями, защищающими от УФ-излучения, присутствующими на внешней поверхности шелкового кокона6,7,8,12. Шелковый кокон воспринимает гравитацию благодаря своим магнитно-мягким свойствам, тем самым поддерживая здоровое развитие куколок13.

Ранее было высказано предположение, что регулирование температуры в шелковых коконах является термоэлектрическим явлением, включающим эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона5,10,11,12,14,15,16. Структурная асимметрия между внешней и внутренней поверхностями шелковых коконов еще больше усиливает эту идею5. Мы обнаружили, что когда мембрана из шелкового кокона помещается между двумя электродами и подвергается воздействию водяного пара, она генерирует ток для питания светодиодов. Светодиод перестает светиться, когда мы выключаем водяной пар. Сухой кокон не может генерировать заметный ток при воздействии на воздух, свободный от влаги. Влажный шелковый кокон может кратковременно удерживать заряд, как конденсатор, если его заряжать от источника постоянного тока10,11. Носителями заряда в шелковых коконах являются водоопосредованные поляроноподобные заряженные комплексы, активируемые теплом и влагой16. Одной из новых тем термоэлектрических свойств кокона является необходимость наличия молекул воды в межмолекулярном пространстве белка, в отличие от любых известных твердотельных термоэлектрических материалов. Итак, это влажно-термоэлектрический материал10,11,12,14,15,16. Основная философия работы заключается в использовании влажных термоэлектрических свойств шелкового кокона для разработки энергетического устройства из шелкового белка, которое могло бы обеспечивать электроэнергию в течение длительного времени даже после прекращения подачи водяного пара и функционировать в суровых погодных условиях.