수증기를 연료로 사용하는 염수 설계

Dec 12, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 13999(2022) 이 기사 인용

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수증기는 실크 누에고치, 사람의 머리카락, 황마, 옥수수 실크의 전기 전도성을 증가시킵니다. 이 현상은 불분명합니다. 현재 연구에서 고치에 대한 XPS 분석은 수증기가 저에너지 탄소 종(C–C, C–H)의 표면 존재를 감소시키는 것으로 나타났습니다. 대조적으로, 전자 밀도가 높은 고에너지 탄소종(C-N, C=C, C=O)은 변하지 않고 남아 있어 표면 전하 호핑을 향상시킬 수 있습니다. 수증기가 전도를 향상시키는 반면, 전하 캐리어가 부족하면 효과가 감소됩니다. 전류를 증폭시키기 위해 누에고치를 일반염(NaCl) 수용액에 담가 전하 운반체를 늘립니다. 소금 처리 후 수증기에 2분간 노출하면 기준선(0.06 ± 0.02 mA, n = 12)에서 전류(3.6 ± 1.07 mA, n = 12, 평균 ± SE)가 급격히 상승합니다. 1시간 후에는 0.39 ± 0.12 mA의 평균값을 유지합니다. n = 12, 기준선의 상향 이동을 나타냅니다. 누에고치에 수증기가 충전될 때마다 누에고치가 마르면 다음 충전 주기가 시작됩니다. 누에고치 생태에서 영감을 받아 누에고치 배터리의 급속 충전 및 방전을 위한 교대 '수증기-건조 공기' 주기를 시연합니다. 마지막으로 습한 폐열이 전기를 생산하는 '염수 실크 누에고치 단백질 바이오 배터리'를 사용하여 미래형 주택을 위한 자체 조명 주전자와 수증기 패널의 프로토타입을 설계했습니다.

세포에 존재하는 막 단백질은 미래 에너지 수확 및 저장 장치의 바이오 제조를 위한 바이오 영감입니다1,2. 이러한 장치를 설계하고 제작하는 데 따르는 본질적인 과제는 단백질 분리의 복잡성과 짧은 유효 기간입니다. 우리는 이러한 과제를 예상하기 위해 자연적으로 발생하는 견고한 단백질 막 실크 누에고치로 문제에 접근했습니다3.

실크 고치는 나비목 곤충에 의해 형성된 단백질 막입니다. 나비목 곤충은 알, 유충, 번데기, 성체 나방의 전형적인 4단계 생활사를 가지고 있습니다. 성충이 알을 낳고, 부화하면 유충이 나옵니다. 유충은 식물의 잎을 탐욕스럽게 먹고 실크라고 불리는 단백질이 풍부한 점성 타액을 풍부하게 분비합니다. 이 부드러운 액체를 자신의 몸 주위로 회전시켜 가까운 보호 누에고치실을 형성했습니다. 이는 곤충의 일생에서 번데기 단계(휴면 또는 휴면 단계)의 시작을 나타냅니다. 이 단계는 세계 온대 지역에서 발견되는 특정 종의 벌레에서 21일에서 9개월까지 다양합니다. 스스로 유도된 휴면 상태가 완료되면 성충 나방이 고치에서 나옵니다. 이 모든 과정은 변태입니다4,5.

누에고치는 주위 온도를 유지하고 선택적으로 누에고치 외부로 이산화탄소의 확산을 촉진하는 인큐베이터입니다5. 이는 직사광선, 비, 바람 및 온실 효과6,7,8로부터 발달 중인 번데기를 보호합니다. 실크 단백질 막의 외부에서 내부로 기공 크기가 감소하여 실크 누에고치 내부로 물이 스며드는 것을 방지하여 방수막이 됩니다9,10,11. 거친 자외선은 누에고치 외부 표면에 존재하는 항산화 UV 보호 화합물에 의해 누에고치 표면에 흡수됩니다6,7,8,12. 누에고치의 연자성 특성을 통해 중력을 감지하여 번데기13의 건강한 발달을 지원합니다.

이전에는 실크 누에고치의 온도 조절이 Seebeck, Peltier 및 Thomson 유사 효과5,10,11,12,14,15,16을 포괄하는 열전 현상이라고 제안되었습니다. 명주 고치의 외부 표면과 내부 표면 사이의 구조적 비대칭성은 이러한 아이디어를 더욱 강화합니다5. 우리는 실크 누에고치 막을 두 전극 사이에 놓고 수증기에 노출시키면 전류를 생성하여 LED에 전력을 공급한다는 사실을 발견했습니다. 수증기를 끄면 LED가 더 이상 켜지지 않습니다. 건조한 고치는 습기가 없는 공기에 노출되면 식별 가능한 전류를 생성하지 못합니다. 촉촉한 실크 누에고치는 DC 소스10,11로 충전할 때 커패시터처럼 잠시 전하를 유지할 수 있습니다. 실크 누에고치 내의 전하 운반체는 열과 습기에 의해 활성화되는 물 매개 폴라론 유사 하전 복합체입니다. 누에고치의 열전 특성에 대한 새로운 주제 중 하나는 알려진 고체 열전 재료와 달리 단백질의 분자간 공간에 물 분자가 필요하다는 것입니다. 즉, 습식열전재료이다10,11,12,14,15,16. 연구의 기본 철학은 누에고치의 습윤 열전 특성을 활용하여 수증기를 멈춘 후에도 장기간 전력을 공급할 수 있고 광범위한 날씨 체제에서도 작동할 수 있는 실크 단백질 에너지 장치를 개발하는 것입니다.