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“葡萄糖电池”钻入血管 用你的身体发电?

  电力紧张?电子设备越来越小型化找不到合适的电池?不用担心,利用我们的身体、各种生物细胞也可以发电——微型生物电池将为人类提供源源不断的电能

  电影《黑客帝国》:在遥远的未来,智能机器统治世界,它们学会了利用一种无所不在的潜在电源——人类。这些机器在工业化的牧场上“放养”人类,并且吸收人体放出的电流。你、我、他都成了电池。

  庆幸的是,文明并没有进化得这么快。但片中的这一点是真实的。活细胞和它们的大集合(也就是各种生物体包括人体)的确能产生微量的电流。不过直到现在,科学家们才在设想如何利用这一能源。

  无疑,把生物体当电池使用具有很多优点。一个生物燃料电池可在安全的体温范围内产生电流,同时又不会如同利用石化燃料那样产生污染环境的副产品,而且它还有体积小、耐用等特点,这对那些微型电器来说是个福音。

  活细胞何以发电?在生物学层次上看,活细胞是通过“吃糖”、接受阳光照射等方式获得能量的,但从物理学的角度看,在分子层次上,所有细胞获得能量的方式归根结底都是获取在原子和分子间穿梭往来的电子。

  一些分子的附着力较小,很容易失去一两个电子。另外一些分子却对游离的电子很有胃口,在获得电子的同时会释放出一些能量。细胞居于这种供给和需要的中心。例如,在一些特殊酶的帮助下,酵母菌能分解糖分子,从而获得几个电子,然后把它们送到附近的氧分子中。这个过程产生着水和二氧化碳,以及少许能量,这些能量被酵母菌获得。可以把这个过程看作在电子流上奔腾着的亚原子经济。

  电流不是别的,而是一连串稳定的电子流。一个人造电池就是一个缩微的发电厂。它的电力是由电池内的化学物质产生的。电池使用起来很方便,因为电子是通过它们的电极流出,可以很容易就把它接到MP3播放器、手电筒、玩具、打火机上。如果微生物也可以做到这点,我们只要把它们的电子集中到电极而不是让它们处于散乱的分子上,就可以利用它们来发电。

  但是,要把生物用来发电有许多困难,其中最顽固的障碍是包裹在细胞外的膜。大多数微生物都在体内深处有酶存在的地方处理电子。因此,有机物都倾向于寻求可以滑进细胞膜的可溶电子受体,例如氧,由此捕获电子,然后又导出电子。但是,人造电极是不可溶的,不可能用来进行微生物发电。一些化学介质倒可以做这种事情,即在细胞体内和电极间传输电子,可这样做通常都代价昂贵而且不是很有效,还需要不断地补充。

  为了解决利用生物电的难题,美国圣路易斯大学的分子生物化学家谢利·明特尔提出一种特殊的新方法。她并没有去研究微生物的内部机制,而是研究微生物的外部机制。两年前,她的研究小组利用从大肠菌中提炼出来的酶,制造出一个利用酒精做分解物的酶燃料电池,可以直接接到电路上。这是一个不带电池壁的微生物燃料电池。酶将酒精转化成醋,产生一股微弱电流。

  这种燃料电池体积也不小,为了带动一部手机,需要20平方英寸的酶做燃料。明特尔说:“我们已能用我们的生物燃料电池带动小电扇旋转,但还没有用这样的能量驱动任何空调或类似设备。”

  糖是活细胞的主要能量来源,它们无所不在,从酒精到沼气,从草垛到体液,都包含有糖分。一旦科学家们学会如何开发它,就意味着找到了无限的能量源。用一杯糖做燃料的细菌电池可以使一个60瓦特的灯泡亮17小时。

  美国得克萨斯大学的亚当·赫勒设计出了利用糖的生物电池,这种电池由两块并列的微型光纤板组成。每块光纤板上都涂有一种酶:正极的抢夺糖分中的电子,负极的将电子导向氧。一个1/4英寸长的这样的设备可以产生600纳瓦特的电流,足以带动一个微电路。

  与传统电池相比,制造生物电池的最大困难在于把其外壳微型化。通过一些巧妙的技术,赫勒已制造出了已知最小的电池,它小到可以被放进人体血管,并以那里的葡萄糖做燃料。对于植入人体中的医用葡萄糖监视器来说,这可是一个再完美不过的动力源。根据赫勒的发明,还可以造出另一种重要产品:可以根据电信号立即测出病人血糖水平的仪器。这对糖尿病患者来说将是一个宝。

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