Concevoir une saumure alimentée à la vapeur d'eau

Dec 12, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 13999 (2022) Citer cet article

1338 accès

1 Citations

1 Altmétrique

Détails des métriques

La vapeur d'eau augmente la conductivité électrique des cocons de soie, des cheveux humains, du jute et de la soie de maïs. Ce phénomène n'est pas clair. Dans la présente étude, l'analyse XPS des cocons a montré que la vapeur d'eau réduit la présence en surface d'espèces carbonées à faible énergie (C–C, C–H). En revanche, les espèces de carbone denses aux électrons et à haute énergie (C – N, C = C, C = O) sont restées inchangées, améliorant peut-être le saut de charge de surface. Alors que la vapeur d'eau améliore la conduction, le manque de porteur de charge diminue l'effet. On augmente le porteur de charge en trempant le cocon dans une solution aqueuse de sel commun (NaCl) pour amplifier le courant. Le traitement au sel suivi d'une exposition de 2 minutes à la vapeur d'eau entraîne une forte augmentation du courant (3,6 ± 1,07 mA, n = 12 ; moyenne ± SE) par rapport à la ligne de base (0,06 ± 0,02 mA, n = 12). Après 1 h, il maintient une valeur moyenne de 0,39 ± 0,12 mA ; n = 12, indiquant un déplacement vers le haut de la ligne de base. Chaque fois que le cocon se charge de vapeur d'eau, le cycle de charge suivant démarre après que le cocon se soit asséché. Inspirés par l'écologie du cocon, nous démontrons un cycle alterné « vapeur d'eau-air sec » pour une charge et une décharge rapides de la batterie cocon. Enfin, nous avons conçu un prototype de bouilloire auto-éclairante et de panneaux de vapeur d'eau pour des maisons futuristes utilisant une « bio-batterie protéique de cocon de soie et de saumure », où la chaleur résiduelle humide génère de l'électricité.

Les protéines membranaires présentes dans les cellules sont une bio-inspiration pour la bio-fabrication de dispositifs futuristes de récupération et de stockage d'énergie1,2. Les défis inhérents à la conception et à la fabrication de tels dispositifs sont la complexité de l'isolement de ces protéines et leur courte durée de conservation. Nous avons abordé le problème avec un cocon de soie à membrane protéique robuste d'origine naturelle pour anticiper ces défis3.

Un cocon de soie est une membrane protéique formée par des insectes lépidoptères. Un insecte lépidoptère a un cycle de vie typique en quatre étapes : œuf, larve, pupe et papillon adulte. Un papillon adulte pond les œufs et à l'éclosion, les larves émergent. Les larves mangent avec voracité les feuilles des plantes et sécrètent copieusement un liquide salivaire visqueux riche en protéines, appelé soie. Il a fait tourner ce fluide soyeux autour de son propre corps, formant ainsi une chambre de cocon protectrice fermée. Il marque le début de la phase nymphale (phase de dormance ou de diapause) dans la vie d'un insecte. Cette phase varie de 21 jours à 9 mois chez certaines espèces de vers que l'on trouve dans les régions tempérées du monde. Une fois cette dormance auto-induite terminée, un papillon adulte émerge du cocon. Tout ce processus est une métamorphose4,5.

Un cocon est un incubateur qui maintient une température ambiante et facilite sélectivement la diffusion du dioxyde de carbone à l'extérieur du cocon5. Il protège les pupes en développement de la lumière directe du soleil, de la pluie, du vent et de l'effet de serre6,7,8. La diminution de la taille des pores de l'extérieur vers l'intérieur de la membrane protéique de la soie empêche l'eau de s'infiltrer à l'intérieur du cocon de soie, ce qui en fait une membrane étanche9,10,11. Les rayons UV agressifs sont absorbés à la surface du cocon par des composés anti-UV antioxydants présents sur la surface extérieure du cocon de soie6,7,8,12. Le cocon de soie détecte la gravité grâce à ses caractéristiques magnétiques douces, favorisant ainsi le développement sain des pupes13.

Auparavant, il a été proposé que la régulation de la température dans les cocons de soie est un phénomène thermoélectrique englobant les effets de type Seebeck, Peltier et Thomson5,10,11,12,14,15,16. L'asymétrie structurelle entre les surfaces externe et interne des cocons de soie renforce encore cette idée5. Nous avons découvert que lorsque la membrane cocon de soie est placée entre deux électrodes et exposée à la vapeur d'eau, elle génère du courant pour alimenter les LED. La LED s'arrête de briller lorsque nous éteignons la vapeur d'eau. Un cocon sec ne parvient pas à générer un courant perceptible lorsqu'il est exposé à de l'air sans humidité. Un cocon de soie humide peut maintenir la charge brièvement comme un condensateur lorsqu'il est chargé avec une source de courant continu10,11. Les porteurs de charge dans les cocons de soie sont des complexes chargés de type polaron médiés par l'eau activés par la chaleur et l'humidité16. Un thème émergent des propriétés thermoélectriques du cocon est le besoin de molécules d'eau dans les espaces intermoléculaires de la protéine, contrairement à tous les matériaux thermoélectriques à l'état solide connus. Il s'agit donc d'un matériau thermoélectrique humide10,11,12,14,15,16. La philosophie de base du travail est d'exploiter la propriété thermoélectrique humide du cocon de soie pour développer un dispositif d'énergie protéique de soie qui pourrait fournir de l'énergie pendant une période prolongée même après l'arrêt de la vapeur d'eau et qui fonctionne dans un vaste régime climatique.

Ainsi, pour développer notre hypothèse de travail pour fabriquer un dispositif protéino-énergétique de la soie, nous considérons d'abord les deux prérequis essentiels à l'électricité du cocon de soie : l'eau et la chaleur. L'eau active les squelettes et les chaînes latérales de la protéine du cocon de soie. Dans le même temps, la chaleur perturbe le réseau de liaisons hydrogène de l'eau entourant la protéine et provoque le flux de complexes chargés de type polaron médiés par l'eau16. Ainsi, nous émettons l'hypothèse que l'ajout d'un porteur de charge ionique supplémentaire dans le complexe soie-eau augmentera la puissance électrique pendant une période prolongée et pourrait modifier les propriétés de surface de la protéine de soie. Nous avons choisi le chlorure de sodium (NaCl) comme porteur de charge car les protéines du système biologique fonctionnent dans un liquide extracellulaire riche en saumure et sont les sels les plus abondants dans la réserve d'eau de la terre.

Nous nous sommes procuré les cocons de soie Bombyx mori d'Orissa et de Chhattisgarh en Inde. Nous avons séché le cocon au soleil pour nous assurer qu'aucune pupe n'a survécu à l'intérieur, puis nous avons séché au sèche-cheveux pour éliminer toute poussière et les stocker dans l'armoire en bois pour une utilisation ultérieure (Fig. 1a, b). Dans la section supplémentaire, nous avons une vidéo (Vidéo DIY) expliquant le processus de fabrication de la bio-batterie de protéines de cocon de soie et de saumure alimentée à la vapeur d'eau.

Matériaux pour biobatterie cocon de soie. (a) Cocons de soie brute de Bombyx mori. Coupez le cocon en montrant la surface intérieure et extérieure du cocon avec une texture nettement différente. (b) Tous les composants de la batterie Silk Cocoon. Deux lames de verre collées ensemble. Pièces cocon en soie d'une dimension de 1,1 cm * 2,5 cm. Électrode en aluminium de calibre 32 découpée dans une feuille d'aluminium. Fils de cuivre haute pureté de 1,12 m (32 AWG) pour électrodes en cuivre. Manches isolantes. (c) Placer les électrodes en aluminium sur la lame de verre. (d) Placer la surface intérieure des morceaux de cocon face à l'électrode en aluminium (représentée par des flèches en pointillés). (e) L'appareil se connecte à l'électromètre et enregistre les données dans le système d'acquisition. Dans la section supplémentaire, nous avons une vidéo (Vidéo DIY) expliquant le processus de fabrication de la bio-batterie de protéines de cocon de soie et de saumure alimentée à la vapeur d'eau.

Nous avons saturé les morceaux de cocon de soie (Fig. 1b) dans une solution aqueuse de NaCl. Nous ajoutons 12,5 g de NaCl, et à cela, nous ajoutons 25 ml d'eau bidistillée. Dans chacune de ces solutions, on ajoute seize morceaux de cocon de soie et on les laisse tremper pendant 24 h. Le matériel supplémentaire (tableau 1 du matériel supplémentaire) traite de l'optimisation de la dose de NaCl. Nous préparons les dispositifs sans NaCl en mouillant les morceaux de cocon de soie dans de l'eau bidistillée pendant 24 h. Pour la comparaison avec d'autres sels, nous avons préparé des dispositifs KCl de la même manière que nous avons conçu des dispositifs NaCl (voir la section supplémentaire Tableau 2 du matériel supplémentaire) pour une comparaison des valeurs électriques des dispositifs NaCl par rapport aux dispositifs KCl aux dispositifs traités à l'eau distillée).

Dans les Fig. 1 et 2, nous avons montré tous les matériaux et procédés de fabrication de la bio-pile cocon de soie. Nous prenons huit morceaux de cocon Bombyx mori pour fabriquer un seul appareil. Nous arrivons empiriquement à l'utilisation de huit morceaux du cocon après de multiples essais au cours de nos 12 dernières années de recherche. Auparavant, nous fabriquions des appareils avec une seule pièce, deux, quatre et huit pièces du cocon. De nombreux cycles de charge-décharge indiquent que les appareils en huit pièces fonctionnent pendant une période prolongée de 1 à 6 mois s'ils sont stockés correctement. Puisqu'il est en phase de découverte technologique, nous avons opté pour l'utilisation de huit morceaux du cocon pour développer le prototype de l'appareil. Pour obtenir huit morceaux de cocon, nous utilisons quatre cocons. De chaque cocon, on obtient deux pièces pour l'appareil. Un seul appareil se compose de huit cellules électrochimiques individuelles connectées en série (Fig. 2a). Chaque cellule électrochimique est fabriquée en plaçant une électrode en aluminium (2,4 cm * 1 cm) sur la surface intérieure de la pièce de cocon particulière, puis en enroulant le fil de cuivre le long de la surface extérieure du cocon ; Ainsi, le morceau de cocon reste entre les électrodes d'aluminium et de cuivre. Nous montons l'appareil sur une lame de verre. Nous connectons les huit unités électrochimiques dans un circuit en série, et l'extrémité en cuivre (positive) et la borne en aluminium (négative) alimentent une diode électroluminescente verte (LED). Dans les Fig. 2b, c, nous avons l'image des appareils et la configuration interne pour les cycles d'exposition à la vapeur d'eau et de séchage.

Procédure de fabrication d'une biopile cocon de soie. (a) Huit cellules électrochimiques en soie connectées dans un circuit en série. (b) Le tableau de la bio-pile de cocon de soie. (c) L'eau bouillante du ballon à fond rond fournit de la vapeur d'eau. La température à la surface de l'appareil est d'environ 55 à 60°. (d) Un sèche-cheveux souffle de l'air sec pour évaporer l'eau de l'appareil. Les appareils reçoivent 2 min d'exposition à la vapeur d'eau dans toutes les expériences.

Nous effectuons tous les enregistrements électriques dans l'électromètre/appareil de mesure à haute résistance modèle 6517B à 5½ chiffres de Keithley (Keithley Instruments, Inc. 28775, Aurora Road, Cleveland, Ohio, 44139, États-Unis ; http://www.keithley.com/company).

Nous avons pris les spectres de photoélectrons aux rayons X à l'aide du modèle PHI 5000 Versa Prob II, FEI Inc XPS.

Nous avons présenté les valeurs moyennes sous forme de moyenne ± erreur standard, où n représente le nombre d'appareils. Nous utilisons le logiciel Prism 9 pour tracer les graphiques et l'analyse statistique.

Dans la Fig. 3, nous montrons les propriétés électriques de base de la bio-pile en soie. Sur la figure 3a, nous avons montré deux traces représentatives du courant généré par des dispositifs de cocon fabriqués à partir d'eau distillée et de cocons imbibés de NaCl, respectivement. Le courant de base est plus élevé dans le dispositif à cocon imbibé de NaCl. Peu de temps après les 2 minutes d'exposition à la vapeur d'eau, le courant augmente fortement à partir de la ligne de base et, après avoir atteint le pic, il commence à chuter. Finalement, le courant atteint une valeur stable, supérieure à la valeur de référence dans les deux types d'appareils. Nous avons ensuite quantifié les valeurs de courant de base, de pointe et après 1 h générées par les deux types d'appareils (Fig. 3b). Les valeurs moyennes du courant de base pour les appareils imbibés d'eau distillée et de NaCl sont de 9,33e−06 ± 6,24e−06 mA ; n = 6 et 0,06 ± 0,02 mA ; n = 12 respectivement (courant moyen ± erreur type ; n = nombre d'appareils testés). Les valeurs de courant de crête moyennes pour les appareils imbibés d'eau distillée et de NaCl sont de 0,014 ± 0,003 mA ; n = 6 et 3,63 ± 1,07 mA ; n = 12, respectivement. Ainsi, la valeur moyenne du courant de crête pour le dispositif imbibé de NaCl est environ 259 fois supérieure à celle du dispositif de cocon imbibé d'eau distillée. Après 1 h, les valeurs de courant moyennes pour les appareils imbibés d'eau distillée et de NaCl sont de 0,002 ± 0,0001 mA ; n = 6 et 0,39 ± 0,10 mA ; n = 12 respectivement. En comparant le courant au départ et après 1 h pour le dispositif NaCl, nous trouvons une multiplication par cinq. Nous concluons donc que l'exposition à la vapeur d'eau charge la membrane. Reportez-vous à la section supplémentaire pour comparer les valeurs électriques des appareils NaCl et KCl.

Propriétés électriques des appareils à cocon de soie. (a) Comparaison d'une trace de courant représentative à partir d'appareils préparés à partir du cocon imbibé d'eau distillée et du cocon imbibé de NaCl. Les valeurs actuelles sont affichées sur l'échelle −1*Log (y). La flèche bleue indique le temps d'exposition de 2 min à la vapeur d'eau. (b) Comparaison des valeurs actuelles de la ligne de base, du pic et après une heure pour les dispositifs de cocon imbibés d'eau distillée et imbibés de NaCl. (c) Comparaison d'une trace de tension représentative à partir d'appareils préparés à partir du cocon imbibé d'eau distillée et du cocon imbibé de NaCl. ( d ) Comparaison des valeurs de tension de la ligne de base, du pic et après une heure pour les dispositifs de cocon imbibés d'eau distillée et imbibés de NaCl.

La figure 3c présente les traces de tension représentatives pour les dispositifs de cocon fabriqués à partir d'eau distillée et de cocons imbibés de NaCl. Dans les deux cas, on observe un fort pic de tension. La tension de crête moyenne des dispositifs à cocons fabriqués à partir d'eau distillée et de cocons imbibés de NaCl est de 4,8 ± 0,49 V; n = 6 et 4,9 ± 0,22 V ; n = 6, respectivement ; indiquant une tension de crête similaire, contrairement à la forte différence de valeurs de courant (Fig. 3d). La tension de base de l'appareil imbibé d'eau distillée est beaucoup plus faible (0,54 ± 0,12 V ; n = 6) que l'appareil imbibé de NaCl (4,33 ± 0,30 V ; n = 6). Nous observons un changement de tension beaucoup plus brusque lors de l'exposition à la vapeur d'eau dans le cas de l'appareil imbibé d'eau distillée. La tension après 1 h dans l'appareil imbibé d'eau distillée par rapport à l'appareil imbibé de NaCl est de 1,7 ± 0,36 V ; n = 6 et 4,0 ± 0,22 V ; n = 6, respectivement. Nous observons que les tensions de base et après 1 h pour les dispositifs imbibés de NaCl varient très peu.

Dans la prochaine série d'expériences, nous avons étudié la fonction de charge-décharge du dispositif de cocon imbibé de NaCl. Sur la figure 4a, nous avons présenté une trace de courant représentative du cycle de charge-décharge où l'appareil a fonctionné pendant 13 h. Au début du cycle, le dispositif est chargé en vapeur d'eau puis rechargé à deux reprises en vapeur d'eau, respectivement à 4,7 h et 12,5 h. L'appareil se dessèche entre chaque cycle de charge. Nous constatons qu'au fur et à mesure que l'appareil cycle, la sortie de courant de crête augmente. Le courant de crête pour les trois points de charge est respectivement de 4,8 mA, 7,8 mA et 9,3 mA. Le système doit se tarir avant de pouvoir recharger le système. Pour voir l'effet du séchage rapide de la membrane, peu après l'avoir exposée à la vapeur d'eau, on accélère le séchage en soufflant un courant d'air sec pendant 1 min. La figure 4b consiste en une trace de courant représentative, où nous avons chargé l'appareil avec de la vapeur d'eau suivi d'un cycle de séchage de 1 min. Nous avons effectué un enregistrement de 27,7 h (Fig. 4b). Le séchage de l'appareil aide à recharger le système immédiatement, comme le montre la Fig. 4c. Les figures 4d, e montrent que le courant de base augmente nettement après le cycle de vapeur d'eau et de séchage.

Caractéristiques de charge-décharge du dispositif de cocon imbibé de NaCl. (a) Trace de courant représentative pendant 13 h, avec trois cycles de charge. Les flèches bleues indiquent le temps d'exposition à la vapeur d'eau. ( b ) Trace de courant représentative pendant 27,7 h avec des cycles intermittents de vapeur d'eau et de séchage rapide. Les zones colorées indiquent les cycles. (c) L'image agrandie de la première zone ombrée colorée. Trois fois cet appareil est chargé de vapeur d'eau et séché avec un ventilateur (la flèche orange indique de l'air sec). (d) L'image agrandie de la deuxième zone ombrée colorée. Cet appareil est chargé une fois avec de la vapeur d'eau et séché avec une soufflerie. (e) L'image agrandie sur la trace actuelle indique que le courant de base a augmenté.

Nous avons utilisé la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) pour analyser les surfaces du cocon, et les Figs. 5, 6 et le tableau 1 résument les données. Comme le montrent les Fig. 5a à c, la présence globale de carbone, d'azote et d'oxygène à la surface du cocon diminue lors du mouillage (Fig. 5b), puis se rétablit légèrement lors de l'exposition à la vapeur d'eau (Fig. 5c). En explorant davantage le spectre étroit pour les C1, dans les Fig. 5d–f, nous avons observé que la présence d'espèces de carbone à faible énergie de liaison à la surface diminue lors du mouillage et davantage lors de l'exposition à la vapeur d'eau. L'azote et l'oxygène à spectre étroit montrent une tendance similaire à la réduction des espèces de surface et à leur récupération lors de l'exposition à la vapeur d'eau (Fig. 5g – l). Ainsi, comme indiqué dans le tableau, la composition de surface C:N:O sous forme sèche est de 4:1:2,5. Sous forme humide, 2,64 : 0,55 : 1,71 et après exposition à la vapeur d'eau, 3,0 : 0,99 : 2,57. L'évolution du rapport C:N:O est la preuve d'une réorganisation de la membrane, où le mouillage conduit à un ramollissement de la membrane initialement rigide. L'exposition à de la vapeur d'eau riche en énergie alimente l'alignement d'espèces riches en électrons telles que les espèces C – N, C = O et OCNH2 qui agissent comme des fils moléculaires pour conduire la charge. Ainsi, cette membrane biologique est une matière programmable présentant sa transformation d'une matrice peu conductrice à une matrice conductrice lors de l'interaction avec des molécules d'eau riches en énergie. La figure 5m – o montre les spectres de base de Na1s.

Spectre XPS représentatif pour le cocon de soie sec, le cocon de soie imbibé d'eau, le cocon de soie imbibé d'eau et exposé à la vapeur d'eau. Spectre d'étude du cocon de soie sèche. Les pics XPS de couleur bleue, verte et jaune codent de l'énergie de liaison la plus faible à la plus élevée. Les valeurs d'énergie de liaison correspondantes avec le codage couleur respectif sont disponibles dans le tableau 1 (a), cocon de soie trempé dans l'eau (b), cocon de soie trempé dans l'eau et exposé à la vapeur d'eau (c). Spectre C1s comparatif pour le cocon de soie sec (d), le cocon de soie imbibé d'eau (e), le cocon de soie imbibé d'eau et exposé à la vapeur d'eau (f). Spectre N1s comparatif pour le cocon de soie sec (g), le cocon de soie imbibé d'eau (h), le cocon de soie imbibé d'eau et exposé à la vapeur d'eau (i). Spectre O1s comparatif pour le cocon de soie sec (j), le cocon de soie imbibé d'eau (k), le cocon de soie imbibé d'eau et exposé à la vapeur d'eau (l). Spectres Na comparatifs pour le cocon de soie sec (m), le cocon de soie imbibé d'eau (n), le cocon de soie imbibé d'eau et exposé à la vapeur d'eau (o).

Spectre XPS pour observer les changements dans la composition de la surface du cocon de soie lors de l'interaction avec le NaCl. Les pics XPS de couleur bleue, verte et jaune codent de l'énergie de liaison la plus faible à la plus élevée. Les valeurs d'énergie de liaison correspondantes avec le codage couleur respectif sont disponibles dans le tableau 1. XPS pour le cocon trempé dans du NaCl aqueux, (a) Spectre d'enquête, (b) Spectre C1s, (c) Spectre N1s, (d) Spectre O1s, (e) spectre Cl2p, (f) spectre Na1s ; Spectres XPS pour le cocon imbibé de NaCl aqueux et exposé à la vapeur d'eau, (g) Spectre d'enquête, (h) Spectre C1s. (i) spectre N1s, (j) spectre O1s, (k) spectre Cl2p, (l) spectre Na1s.

Nous ajoutons ensuite du NaCl au cocon pour augmenter les porteurs de charge. Nous avons effectué une analyse XPS détaillée (Fig. 6a – l) pour comprendre les changements chimiques de surface lors de l'introduction de NaCl dans le cocon de soie. Les figures 6a, g montrent les spectres d'enquête pour les cocons imbibés de NaCl et imbibés de NaCl plus exposés à la vapeur d'eau. Dans le cocon imbibé de NaCl, la composition superficielle du carbone diminue et l'azote et l'oxygène augmentent lors de l'exposition à la vapeur d'eau, indiquant la reprogrammation structurelle de la membrane (Fig. 6b – d, h – j). Dans les spectres étroits d'oxygène, un pic de 530 eV correspond à l'oxygène du réseau. Alors qu'un deuxième pic à 533,5 eV signifie des oxydes exposés à l'eau, indiquant des molécules d'eau adsorbées dissociatives ou des hydroxyles de surface. Le XPS étant une technique d'analyse de surface évaluant la composition élémentaire dans moins des 10 nm supérieurs de la surface, une réduction drastique de la présence de sodium et de chlorure montre que ces éléments percolent dans la membrane lors de l'exposition à la vapeur d'eau (Fig. 6e, f,k,l). L'infiltration des ions sodium et chlorure à l'intérieur de la charpente protéique conduit éventuellement à la formation de ponts conducteurs, entraînant une conductance accrue. La conductance basale augmente lors de l'ajout de chlorure de sodium, mais la membrane conserve toujours ses caractéristiques natives. Toutes les valeurs assignées pour les différents pics sont dans le tableau 1.

Avec la découverte de la machine à vapeur au 17ème siècle par Thomas Newcomen et James Watt, nous développons le prototype d'une bouilloire auto-éclairante et de panneaux de vapeur d'eau pour les maisons futuristes en utilisant une « bio-batterie protéique de cocon de soie de saumure », où la chaleur résiduelle humide produit de l'électricité.

Dans le premier appareil, nous proposons d'utiliser la chaleur perdue générée par une bouilloire pour alimenter l'appareil (Fig. 7a–d, Vidéo supplémentaire S1). Nous plaçons l'appareil à l'embouchure de la bouilloire, et après l'exposition initiale à la vapeur d'eau pendant 2 min, nous retirons l'appareil. La sortie de l'appareil génère un courant faible pendant les 24 h suivantes, comme on le voit sous la forme d'une diode électroluminescente verte brillante. De même, dans un prototype de modèle de maison, nous avons placé un ensemble d'appareils qui sont exposés à la vapeur d'eau par le bas (Fig. 8a à c, vidéo supplémentaire S2). Le réseau de lumières continue de fonctionner pendant une période prolongée. Ces prototypes sont des exemples d'utilisation de la chaleur perdue pour générer de l'électricité utilisable.

La bouilloire auto-allumante. (a) La configuration montre l'appareil à l'embouchure de la bouilloire. (b) LED rougeoyante après exposition à la vapeur d'eau. (c) Une vue rapprochée de la LED incandescente et de la condensation de la vapeur d'eau. (d) Le dispositif, après retrait de la source de vapeur d'eau.

Les panneaux à vapeur d'eau pour les maisons futuristes. (a) L'installation montre le prototype d'une maison modèle avec les panneaux constitués d'une "bio-batterie de protéines de cocon de soie et de saumure". (b) Les panneaux reçoivent la vapeur d'eau du fond. Les dispositifs incandescents vus sur le toit. (c) Les dispositifs brillants sur le toit de la maison modèle.

Le concept de base et le mécanisme fondamental de la biobatterie en soie trouvent leur origine dans l'architecture poreuse asymétrique des cocons de soie. La taille des pores moléculaires est proéminente à la surface extérieure et se rétrécit à l'approche de la surface intérieure. La section transversale des pores à l'intérieur de la membrane du cocon de soie ressemble à une géométrie conique en forme de tuyau, qui se rétrécit vers l'intérieur. Nos découvertes antérieures ont montré que l'eau met beaucoup plus de temps à pénétrer dans le cocon de soie que lorsqu'elle vient de l'intérieur vers l'extérieur. Dans un sens, l'asymétrie des pores fait de la membrane du cocon de soie une structure imperméable9,10,11. Ainsi, si tous les pores se remplissent d'eau, la membrane de soie aura un gradient d'eau, ce qui entraînera une différence de potentiel10,11. Supposons que nous appliquions de la chaleur à cette structure remplie d'eau, puis l'eau, ainsi que les chaînes latérales de la protéine membranaire de la soie, subissent un mouvement moléculaire. À ce stade, les fractions de type polaron et proton (H3O+) génèrent et fonctionnent comme des porteurs de charge le long des tuyaux poreux asymétriques de la membrane du cocon de soie10,11,16. La faible différence de potentiel inhérente à la membrane du cocon de soie offre une légère directionnalité à ces porteurs de charge de type polaron10,11,16. Nous créons donc une différence de potentiel supplémentaire en plaçant la membrane entre des électrodes asymétriques avec des valeurs d'électronégativité différentes. Nous avons choisi l'aluminium et le cuivre avec des valeurs d'électronégativité de 1,61 et 1,90, respectivement, en utilisant l'échelle de Pauling.

Pourtant, le défi demeure, comment augmenter les porteurs de charge. La densité de porteurs de charge décidera de la sortie de courant. Ainsi, nous renforçons les porteurs de charge en imbibant le cocon de soie dans une solution de saumure - les pores se remplissent d'ions sodium et chlorure et de molécules d'eau. Désormais, le système se compose d'une membrane de soie asymétrique riche en porteurs de charge ionique, ainsi que de molécules d'eau pour aider le flux d'ions. La figure 9 fournit un résumé graphique du mécanisme de la biobatterie en soie.

Mécanisme putatif de la biobatterie au cocon de soie. (a) L'image du cocon montre la surface intérieure et extérieure distincte du cocon pour expliquer la nature asymétrique de la membrane du cocon de soie. (b) Les pores à travers la membrane sont formés de telle manière qu'ils apparaissent comme des canaux tortueux et effilés. Les canaux se rétrécissent vers la surface intérieure et deviennent plus proéminents à la surface extérieure. (c) Lorsqu'ils sont exposés à la vapeur d'eau, les canaux emprisonnent la vapeur d'eau et créent un gradient d'eau. Une chaleur supplémentaire provoque un mouvement dans les chaînes latérales des protéines, qui interagissent avec les molécules d'eau, entraînant la formation de complexes de type polaron et d'espèces H3O+. (d) L'ajout de NaCl provoque une augmentation de la densité des porteurs de charge et entraîne une augmentation significative de la conductance.

À notre grande surprise, l'exposition de 2 minutes à la chaleur humide altère les propriétés de surface de la membrane du cocon de soie. Le premier événement que nous observons (tableau 1) est l'exposition proportionnellement plus importante des espèces de carbone denses aux électrons et à haute énergie (C – N, C = C, C = O) à la surface du cocon. Le deuxième aspect (tableau 1) que nous constatons est que les ions sodium et chlorure pénètrent dans la matrice. Étant donné que le système de cocon de soie a une asymétrie inhérente, le mouvement des charges dans la matrice entraîne une distribution asymétrique suite à l'exposition à la vapeur d'eau. Très probablement, les espèces ioniques interagissant avec les chaînes protéiques et l'eau forment des grappes de ponts ioniques entraînant une conduction améliorée.

De plus, le cycle alterné «vapeur d'eau-air sec» provoque un mouvement rapide des molécules d'eau à travers les tuyaux poreux asymétriques de la membrane du cocon de soie. Ce processus entraîne une recharge rapide de la membrane. Sinon, la membrane doit s'assécher en partie avant de pouvoir la recharger. Le point critique qui émerge de cette nouvelle classe de biopiles en soie est la concentration optimale en eau dans la membrane cocon de soie asymétrique, des porteurs de charge suffisants pour générer un courant adéquat et une perturbation rapide du système avec de la chaleur.

La présente étude ouvre quelques aspects passionnants sur les propriétés électriques de la membrane protéique du cocon de soie. La forte augmentation initiale du courant par rapport à la ligne de base après l'exposition à la vapeur d'eau ressemble à des caractéristiques de type semi-conducteur dans les protéines. Alors que les semi-conducteurs connus sont pour la plupart inorganiques ou organiques, les résultats actuels suggèrent une opportunité de recherche pour les dispositifs semi-conducteurs à base de protéines. Avec les progrès de la biotechnologie, la production à grande échelle de protéines est une option tout à fait réalisable17,18,19,20. Nous pourrions trouver des applications industrielles pour l'électronique biodégradable, à base d'eau et flexible à l'avenir.

L'observation suivante est le déplacement vers le haut du courant de base après exposition à la vapeur d'eau. La conductivité de la membrane s'améliore après 2 min d'exposition à la vapeur d'eau, et cela apparaît comme une modification de l'état de conductance de la membrane, un phénomène un peu similaire à l'acquisition de la mémoire par potentialisation à long terme dans le réseau neuronal21. Une fois que la membrane humide est thermiquement perturbée à un point critique, elle déclenche une cascade d'activité électrique. Les multiples cycles de charge-décharge suggèrent que la membrane en soie a une mémoire intégrée et devient active par l'humidité et la chaleur. Il s'agit essentiellement d'un appareil à thermistance à base d'eau.

La conductance s'est encore améliorée lorsque les ions sodium et chlorure ont percolé à l'intérieur de la matrice protéique et ont éventuellement formé des ponts salins. Ces ponts salins nanoscopiques aident au saut de charge à travers la protéine du cocon. L'aspect le plus frappant est la persistance du courant dans le cocon imbibé de NaCl exposé à la vapeur d'eau. C'est quelque chose que nous observons pour la première fois - la fonction de protéine de cocon comme une matrice électrolytique solide qui se reprogramme en réponse à l'humidité et à la chaleur.

Le cycle « vapeur d'eau-air sec » pour une charge et une décharge rapides de la batterie cocon s'inspire de l'écologie du cocon. Le cocon reste dans un micro-écosystème où les feuilles de la plante lui offrent un écosystème humide tandis que la lumière du soleil provoque la transpiration. Ainsi, comme un thermocouple, le cocon subit un régime de basse et haute température. Un niveau d'eau optimal dans les pores du cocon aide à soutenir la croissance du ver à l'intérieur. La température et l'humidité sont élevées, surtout sous les tropiques, lorsque la chrysalide émerge sous forme de papillon après métamorphose5. Ainsi, la membrane est chargée électriquement pour signaler au papillon de sortir du cocon10,12. Nous avons emprunté cette idée au biosystème du cocon et l'avons exposé à un cycle alternatif "vapeur d'eau-air sec" pour dériver un courant maximum pendant une période prolongée. C'est un exemple de "thermocouple protéique" dans un certain sens. La figure 10a–c explique le processus de charge-décharge en termes d'écologie du cocon.

Écologie du cocon. (a) Pendant la journée, le rayonnement solaire provoque l'évapotranspiration de la nature. L'humidité est emprisonnée dans les canaux microstructurés du cocon de soie en raison de sa proximité avec la végétation environnante. (b) Pendant la nuit, l'humidité emprisonnée se condense à l'intérieur des pores du cocon de soie lorsque la température baisse. (c) L'application simultanée d'air sec et de vapeur d'eau provoque un gradient d'eau à travers le cocon. (d) La capacité naturelle de Cocoon à piéger l'humidité et à la convertir en électricité verte en fait un matériau approprié pour les appareils AWG.

Les preuves de l'analyse XPS mettent en lumière certains de ces événements moléculaires de surface à l'origine du barrage d'activités électriques. La vapeur d'eau réduit la présence en surface d'espèces carbonées à faible énergie (C–C, C–H). En revanche, les espèces de carbone denses aux électrons et à haute énergie (C – N, C = C, C = O) sont restées inchangées, améliorant peut-être le saut de charge de surface.

La différence fondamentale entre la batterie conventionnelle et la biobatterie à cocon de soie est la charge avec de la vapeur d'eau et l'exploitation de la géométrie asymétrique de la membrane native du cocon de soie. À ce jour, aucune batterie n'a le potentiel de se charger avec de la vapeur d'eau. La vapeur d'eau atmosphérique est une ressource abondante et illimitée alimentée par le cycle hydrologique de la Terre. Trois mille cent milles cubes de l'atmosphère sont de la vapeur d'eau22. Exploiter la vapeur d'eau pour générer de l'électricité à l'aide d'une interface protéique naturelle est l'invention de cette étude. De plus, la grande couverture océanique fait du NaCl une ressource abondante. À ce stade, les recherches en cours font état d'un prototype fabriqué par l'homme. À l'avenir, lorsque la technologie se traduira à l'échelle industrielle, elle promet d'exploiter l'électricité verte à partir de toutes les abondantes ressources naturelles de la terre. Dans la figure, nous avons donné un schéma proposé pour une application future.

La quête en cours pour répondre à la demande en eau douce attire l'intérêt vers des améliorations intenses dans la conception d'un générateur d'eau atmosphérique (AWG) plus efficace22. La géométrie asymétrique des cocons de soie, leur tendance naturelle à piéger l'humidité et leur capacité à générer du courant peuvent trouver une innovation dans le développement futuriste de l'AWG (Fig. 10d). Avec les avancées technologiques dans la fabrication verte, la conception d'une architecture biopolymère inspirée du cocon est une solution écologique pour les matériaux de piégeage de l'humidité. La fonctionnalité intégrée supplémentaire pour récolter l'électricité à partir de telles structures est d'une immense importance pour répondre aux besoins énergétiques dans des endroits éloignés, des emplacements stratégiques et la pléthore d'autres aspects inexplorés de l'ingénierie.

Outre nos efforts pour coupler le système énergétique avec différents modules de libération de vapeur d'eau, nous travaillons dans les domaines suivants. Nous peaufinons actuellement le système pour les applications de biocapteurs alimentaires, en intégrant le système au corps humain pour les thérapies à faible courant pour les problèmes neurologiques chroniques. Nous combinons la conception avec un tuyau d'échappement automobile où une quantité importante de vapeur d'eau se condense. Le couplage de la présente invention sera un mode supplémentaire pour générer de la puissance à partir du système d'échappement automobile.

En ce qui concerne les limites de l'étude actuelle, nous devons encore explorer les événements moléculaires exacts qui orchestrent la conductance élevée au sein de la molécule de protéine. Néanmoins, l'aspect le plus prometteur est que les résultats actuels nous obligent à revoir notre perspective de bio-conception de la fabrication. Les processus de fabrication modernes sont aux prises avec des émissions excessives de gaz à effet de serre23. Lorsque l'on considère des protéines comme la soie, la nature a optimisé la voie de fabrication durable à travers une échelle de temps évolutive. D'autres exemples classiques dans l'armoire de la nature de systèmes de récupération et de stockage d'énergie autonomes sont les systèmes de chloroplastes photosensibles et les chaînes de transport d'électrons des mitochondries. La pléthore de protéines intégrées dans ces systèmes et d'autres cellules génère des courants humides de faible intensité tout en détectant la lumière, la chaleur, les vibrations, l'odeur, la tension, la pression osmotique et le pH. Ces protéines sont des canaux, des pompes et des pores essentiels au fonctionnement de notre cerveau, de notre cœur et de nos muscles. Les biosystèmes dépendent de ces minuscules quantités d'électricité humide générées par ces protéines tout au long de leur survie. La nature a optimisé sa machinerie génétique et enzymatique pour minimiser l'empreinte carbone de la production de ces protéines. Cependant, le défi technologique consiste à isoler ces protéines tout en conservant leur intégrité fonctionnelle. De plus, le défi est de savoir comment augmenter la production actuelle.

Dans la présente étude, nous empruntons l'intelligence du ver cocon à soie. Les vers à soie développent ce cocon de matériau thermoélectrique humide en soie pour orchestrer la métamorphose. Nous empruntons l'intelligence intégrée de cette protéine robuste et augmentons ses porteurs de charge. Les résultats sont des voies prometteuses et ouvertes pour le développement à l'échelle industrielle de semi-conducteurs à base de protéines, de dispositifs énergétiques, d'incubateurs, de supports de médicaments et d'électrodes protéiques pour des applications biomédicales et bioélectroniques.

Toutes les données utilisées pour générer les chiffres et étayer le texte de cette revue sont disponibles sur demande faite par e-mail à l'auteur correspondant : [email protected], [email protected].

Bhushan, B. Biomimétique : Leçons de la nature—Un aperçu. Philos. Trans. R. Soc. A 367, 445–1486. https://doi.org/10.1098/rsta.2009.0011 (2009).

Article CAS Google Scholar

Benniston, AC & Harriman, A. Photosynthèse artificielle. Mater. Aujourd'hui 11, 12. https://doi.org/10.1016/0047-2670(84)85008-X (2008).

Article Google Scholar

Strassburg, S., Zainuddin, S. & Scheibel, T. La puissance de la technologie de la soie pour les applications énergétiques. Adv. Matière énergétique. 11, 43. https://doi.org/10.1002/aenm.202100519 (2021).

Article CAS Google Scholar

Trouvelot, L. Le ver à soie américain. Suis. Nat. 1, 30–38 (1867).

Article Google Scholar

Roy, M. et al. Grille de dioxyde de carbone dans un cocon de soie. Biointerphases 7, 1–11 (2012).

Article Google Scholar

Kusurkar, TS et al. Cocon de soie fluorescente créant une diatomée fluorescente à l'aide d'un "ferry verre d'eau-fluorophore". Sci. Rep. 3, 3290. https://doi.org/10.1038/srep03290 (2013).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Kaur, J. et al. Photo-protection par des cocons de soie. Biomacromol 14, 3660–3667 (2013).

Article CAS Google Scholar

Zhang, J., Rajkhowa, R., Li, J., Liu, X. & Wang, X. Cocon de ver à soie comme matériau naturel et structure pour l'isolation thermique. Mater. Conception 49, 842–849 (2013).

Article Google Scholar

Horrocks, NP, Vollrath, F. & Dicko, C. Le cocon du papillon de nuit comme piège à humidité et barrière imperméable. Comp. Biochimie. Phys. A 164, 645–652 (2013).

Article CAS Google Scholar

Brindan, T. et al. L'électricité de la membrane du cocon de soie. Sci. Rep. 4, 5434. https://doi.org/10.1038/srep05434 (2014).

Article CAS Google Scholar

Brindan, T. et al. Récolter l'électricité des cheveux humains. J.Cosmet. Sci. 67, 21-36 (2016).

Google Scholar

Brindan, T. et al. Le rôle des propriétés photoélectriques de la membrane du cocon de soie dans la métamorphose pupale : une cellule solaire naturelle. Sci. Rep. 6, 21915. https://doi.org/10.1038/srep21915 (2016).

Article CAS Google Scholar

Roy, M. et al. Mémoire magnétique douce de la membrane cocon de soie. Sci. Rep. 6, 29214. https://doi.org/10.1038/srep29214 (2016).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kirshboim, S. & Ishay, JS Soie produite par les frelons : propriétés thermophotovoltaïques - Une revue. Comp. Biochimie. Physiol. Partie A Mol. Intégr. Physiol. 127, 1-20 (2000).

Article CAS Google Scholar

Ishay, JS & Barenholz-Paniry, V. Effet thermoélectrique dans la soie de frelon (Vespa orientalis) et thermorégulation dans un nid de frelon. J. Insecte. Physiol. 41, 753–759 (1995).

Article CAS Google Scholar

Kumar, A. et al. Polarisabilité diélectrique médiée par l'eau et propriétés de transport de charge électronique des fibres naturelles à haute résistance. Sci. Rep. 8, 2726. https://doi.org/10.1038/s41598-018-20313-4 (2018).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Tokita, Y. Les protéines comme dispositifs semi-conducteurs. (Société japonaise pour la technologie de simulation, 2012) https://www.jsst.jp/e/JSST2012/extended_abstract/pdf/16.pdf.

Tokita, Y. et al. Photoconducteurs et photodiodes protéiques. Angew. Chim. Int. Éd. 50, 11663–11666. https://doi.org/10.1002/anie.201103341 (2011).

Article CAS Google Scholar

Bostick, CD et al. Bioélectronique des protéines : un examen de ce que nous savons et ne savons pas. Rép. Prog. Phys. 8, 026601. https://doi.org/10.1088/1361-6633/aa85f2 (2018).

Article ADS CAS Google Scholar

Cahen, D., Pecht, I. & Sheves, M. Que pouvons-nous apprendre des jonctions de transport d'électrons à base de protéines ?. J.Phys. Chim. Lett. 12, 11598–11603. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.1c02446 (2021).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Nicoll, RA Une brève histoire de la potentialisation à long terme. Neurone 93, 281–290. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2016.12.015 (2017).

Article CAS PubMed Google Scholar

https://www.asme.org/topics-resources/content/6-innovative-atmospheric-water-generators.

Lashof, DA & Ahuja, DR Contributions relatives des émissions de gaz à effet de serre au réchauffement climatique. Nature 344, 529–531. https://doi.org/10.1038/344529a0 (1990).

Article ADS CAS Google Scholar

Télécharger les références

Nous remercions M. Bharat Kumar, qui nous a aidés dans la fabrication de l'appareil et la préparation du bricolage vidéo supplémentaire.

NanoScience Technology Center, Université de Floride centrale, Orlando, Floride, 32826, États-Unis

Himanshi Jangir

Département de conception, Indian Institute of Technology Kanpur, Kanpur, UP, 208016, Inde

Mainak Das

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

HJ et MD ont conçu l'idée, conçu les expériences, collecté les données et rédigé le manuscrit.

Correspondance à Himanshi Jangir ou Mainak Das.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Vidéo supplémentaire S1.

Vidéo supplémentaire S2.

Libre accès Cet article est sous licence Creative Commons Attribution 4.0 International, qui permet l'utilisation, le partage, l'adaptation, la distribution et la reproduction sur n'importe quel support ou format, à condition que vous accordiez le crédit approprié à l'auteur ou aux auteurs originaux et à la source, fournir un lien vers la licence Creative Commons et indiquer si des modifications ont été apportées. Les images ou tout autre matériel de tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans une ligne de crédit au matériel. Si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons de l'article et que votre utilisation prévue n'est pas autorisée par la réglementation légale ou dépasse l'utilisation autorisée, vous devrez obtenir l'autorisation directement du détenteur des droits d'auteur. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Réimpressions et autorisations

Jangir, H., Das, M. Conception d'une bio-batterie de protéines de cocon de soie et de saumure alimentée à la vapeur d'eau pour une bouilloire auto-éclairante et des panneaux à vapeur d'eau. Sci Rep 12, 13999 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18211-x

Télécharger la citation

Reçu : 14 juin 2022

Accepté : 08 août 2022

Publié: 17 août 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-18211-x

Toute personne avec qui vous partagez le lien suivant pourra lire ce contenu :

Désolé, aucun lien partageable n'est actuellement disponible pour cet article.

Fourni par l'initiative de partage de contenu Springer Nature SharedIt

En soumettant un commentaire, vous acceptez de respecter nos conditions d'utilisation et nos directives communautaires. Si vous trouvez quelque chose d'abusif ou qui ne respecte pas nos conditions ou directives, veuillez le signaler comme inapproprié.