一种生物电池

电的潜力

2009年11月3日

Economist.com

电鳗激发新型电池研发灵感

NHPA

迷人的

2007年12月，日本一家水族馆把圣诞树上的灯泡与装有电鳗的水箱连接了起来。在水箱端的金属片搜集了电鳗产生的电流，工作人员用这些电流点亮了灯泡。自然，这一做法像一场宣传噱头一样达到了预期效果。如今，美国的一些研究人员开发了一种以类似方式产生电流的电池。

许多生物利用体内离子（带电原子）浓度的差异，来实现一定的功能。比如说，人类的大脑依靠电脉冲释放与神经传递素结合在一起的钙离子，这些钙离子又依次与神经系统的其它部分进行通讯息。这一装置，使电鳗可以利用约6,000个被称为发电细胞的专门细胞中钠离子浓度的差异，产生与市电一样强的电击。这些细胞通常彼此电绝缘。当电鳗确定了猎物的位置，就会打开一系列的细胞门，离子就可以流过这些细胞门。电鳗处在像水这样的导电溶液中时，这种带电离子的运动就会产生电流。

马里兰国家标准技术研究院的 David LaVan 和同事打算研究活体细胞膜和蛋白质的活动。他们以人造“原始细胞”的实验为开始。就像真正的细胞一样，这些人造细胞被由富含脂肪的分子构成的细胞膜包围着。细胞膜中“漂浮的”蛋白质只让某种离子通过。利用该系统，研究人员认识到他们也许能够复制电鳗的发电装置。

研究小组把两个原始细胞结合到了一起，这样，它们就共用了一部分细胞膜。然后，他们就把稀释浓度的氯化钾溶液添加到一个原始细胞中，把浓度高一些的溶液添加到另一个原始细胞中。钾离子和氯离子浓度的差异，通常会使离子从浓度高的原始细胞向浓度低的原始细胞运动。不过，在这一研究中，原始细胞间的细胞膜太厚了，从而阻止了大多数的此类离子运动。

接下来，LaVan 和同事们把一种叫阿尔法溶血素的蛋白质安装到了原始细胞的细胞膜中。这种蛋白质功能是充当一个筛选桥，允许带正电荷的钠离子通过，却不允许带负电荷的氯离子通过。当筛选过的离子以一个方向运动时，电子（带负电荷）就以相反的方向运动。为了利用这一电流，研究小组在两个原始细胞上连上了小型电极。

在《Advanced Material》上，他们声称，通过使用阻值与离子在通过一个原始细胞到达另一个原始细胞时遇到的电阻相同的材料制造的电极，他们可以在有用的时间周期中持续提供可用的电流。添加更多的原始细胞就会增加电池的续航时间。LaVan 博士估算，他使用的两个几厘米大的原始细胞，可以为便携 MP3 播放器供电大约10个小时。也许，这是一份新奇的圣诞礼物？