大约十年前，亚特兰大佐治亚理工学院的研究人员展示了一种收集振动能量的方法。他们的设备很简单——基本上是将两张材料叠放在一起然后弯曲。如果仔细选择材料，这个过程可以将电荷从一张转移到另一张，在它们之间产生电压，这种现象被称为摩擦起电效应。朝另一个方向弯曲材料会反转极性。
由此产生的设备——摩擦起电纳米发电机——如今正受到深入研究。人们希望它能通过收集几乎任何机械振动或运动产生的能量来为新一代联网设备供电。
但有一个问题，这几乎遍及整个电子行业：浪费。摩擦起电纳米发电机由不同种类的塑料薄片制成——例如，聚四氟乙烯（PTFE）、氟化乙烯丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。
浪费问题
这些材料很常见，相对便宜且易于制造。但它们最终源自石油，稳定且经久耐用，但具有各种已知的环境影响。这是一个不太令人愉快、最好能避免的环境遗留问题。但如何才能避免呢？
现在，我们得到了答案，这要归功于中国浙江大学的 Jianfeng Ping 和他的同事们，他们找到了一种用可生物降解的植物蛋白制造摩擦起电纳米发电机的方法。其结果是一种可以像其他任何形式的有机废物一样处理的能量收集装置。
该团队首先使用作物（如大米、小麦、花生和大豆）加工的天然副产品蛋白来制造生物薄膜。他们将这些蛋白质与聚乳酸薄膜结合，形成一层可以与另一种可生物降解聚合物PDA的薄膜接触进行摩擦起电效应测试的层。
结果表明，大米蛋白产生的电压效应最强。该团队认为这是蛋白质化学结构的结果，特别是酰胺基团与水分子结合的方式。
摩擦似乎会影响这种氢键合，从而产生电压。“我们可以得出结论，与水分子偶联的程度是摩擦起电正性的重要因素，”Jianfeng 和同事们说。
那么，可生物降解的摩擦起电纳米发电机有什么用途呢？研究人员表示，一种应用是促进植物生长。他们指出，各种研究表明，在电场中生长的植物往往更大、生长更快，这可能是因为电场会促进极性很强的 H₂O 分子通过植物组织流动。
这项技术从未得到广泛应用，因为它需要电子基础设施才能使其工作。但可以产生所需电压的可生物降解薄膜可能会改变这种情况。
作为概念验证，Jianfeng 和同事们通过多孔的可生物降解纳米发电机薄膜种植了中国芹菜，或称小白菜，这些薄膜产生了高达 180V 的电场。他们比较了在相似条件下但没有电压的情况下生长的植物的生长速度和大小。“我们的研究结果表明，使用生物 [摩擦起电纳米发电机] 作为覆盖膜可以促进小白菜的生长，而更靠近覆盖膜产生的电场的植物表现出更明显的生长效应，”该团队说。
之后，他们观察了薄膜的生物降解情况，称大米蛋白薄膜在 127 天内完全降解。
这是一项有趣的工作，为进一步研究可生物降解纳米发电机的农业潜力铺平了道路。显然，还有许多问题需要研究，例如该过程的总产量、它对杂草生长的影响以及除草剂的使用、总成本等等。
但电子纳米发电机可以使用食品加工废料制造的这一概念无疑很重要，值得更详细地研究。
参考文献：由植物蛋白制成的可生物降解摩擦起电纳米发电机用于可持续农业：arxiv.org/abs/2110.01891
