Diseño de salmuera alimentada con vapor de agua

Dec 12, 2023

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 13999 (2022) Citar este artículo

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El vapor de agua aumenta la conductividad eléctrica de los capullos de seda, cabello humano, yute y seda de maíz. Este fenómeno no está claro. En el presente estudio, el análisis XPS de capullos mostró que el vapor de agua reduce la presencia superficial de especies de carbono de baja energía (C–C, C–H). Por el contrario, las especies de carbono de alta energía y densas en electrones (C–N, C=C, C=O) permanecieron sin cambios, lo que posiblemente mejoró el salto de carga superficial. Mientras que el vapor de agua mejora la conducción, la deficiencia del portador de carga disminuye el efecto. Aumentamos el portador de carga sumergiendo el capullo en una solución acuosa de sal común (NaCl) para amplificar la corriente. El tratamiento con sal seguido de una exposición de 2 min al vapor de agua da como resultado un aumento brusco de la corriente (3,6 ± 1,07 mA, n = 12; media ± SE) desde la línea de base (0,06 ± 0,02 mA, n = 12). Después de 1 h, mantiene un valor promedio de 0,39 ± 0,12 mA; n = 12, lo que indica un desplazamiento hacia arriba en la línea de base. Cada vez que el capullo se carga con vapor de agua, el siguiente ciclo de carga se inicia después de que el capullo se seque. Inspirándonos en la ecología del capullo, demostramos un ciclo alterno de "vapor de agua y aire seco" para cargar y descargar rápidamente la batería del capullo. Finalmente, diseñamos un prototipo de una tetera con autoencendido y paneles de vapor de agua para hogares futuristas utilizando una 'biobatería de proteína de capullo de seda y salmuera', donde el calor residual húmedo genera electricidad.

Las proteínas de membrana presentes en las células son bioinspiración para la biofabricación de dispositivos futuristas de recolección y almacenamiento de energía1,2. Los desafíos inherentes al diseño y fabricación de tales dispositivos son la complejidad del aislamiento de tales proteínas y su corta vida útil. Abordamos el problema con un capullo de seda de membrana de proteína robusta de origen natural para anticiparnos a estos desafíos3.

Un capullo de seda es una membrana proteica formada por insectos lepidópteros. Un insecto lepidóptero tiene un ciclo de vida típico de cuatro etapas: huevo, larva, pupa y polilla adulta. Una polilla adulta pone los huevos y, al eclosionar, emergen las larvas. Las larvas comen con voracidad las hojas de las plantas y secretan copiosamente un fluido salival viscoso rico en proteínas, denominado seda. Hizo girar este fluido sedoso alrededor de su propio cuerpo, formando así una cámara de capullo protectora cerrada. Marca el comienzo de la fase pupal (fase inactiva o de diapausa) en la vida de un insecto. Esta fase varía de 21 días a 9 meses en ciertas especies de gusanos que se encuentran en las regiones templadas del mundo. Una vez que se completa esta inactividad autoinducida, una polilla adulta emerge del capullo. Todo este proceso es una metamorfosis4,5.

Un capullo es una incubadora que mantiene la temperatura ambiente y facilita selectivamente la difusión de dióxido de carbono fuera del capullo5. Protege a las pupas en desarrollo de la luz solar directa, la lluvia, el viento y el efecto invernadero6,7,8. La disminución del tamaño de los poros desde el exterior hacia el interior de la membrana de proteína de seda evita que el agua se filtre dentro del capullo de seda, convirtiéndolo en una membrana impermeable9,10,11. Los fuertes rayos UV son absorbidos en la superficie del capullo por los compuestos protectores antioxidantes UV presentes en la superficie exterior del capullo de seda6,7,8,12. El capullo de seda detecta la gravedad a través de sus suaves características magnéticas, lo que apoya el desarrollo saludable de las pupas13.

Anteriormente se ha propuesto que la regulación de la temperatura en los capullos de seda es un fenómeno termoeléctrico que abarca los efectos de Seebeck, Peltier y Thomson5,10,11,12,14,15,16. La asimetría estructural entre las superficies exterior e interior de los capullos de seda refuerza aún más esta idea5. Descubrimos que cuando la membrana de capullo de seda se coloca entre dos electrodos y se expone al vapor de agua, genera corriente para encender los LED. El LED deja de brillar cuando apagamos el vapor de agua. Un capullo seco no genera una corriente perceptible cuando se expone al aire libre de humedad. Un capullo de seda húmedo puede retener la carga brevemente como un condensador cuando se carga con una fuente de CC10,11. Los portadores de carga dentro de los capullos de seda son complejos cargados similares a polarones mediados por agua activados por el calor y la humedad16. Un tema emergente de las propiedades termoeléctricas del capullo es la necesidad de moléculas de agua en los espacios intermoleculares de la proteína, a diferencia de cualquier material termoeléctrico de estado sólido conocido. Entonces, es un material termoeléctrico húmedo10,11,12,14,15,16. La filosofía básica del trabajo es explotar la propiedad termoeléctrica húmeda del capullo de seda para desarrollar un dispositivo de energía de proteína de seda que podría suministrar energía durante un tiempo prolongado incluso después de detener el vapor de agua y funciona en un amplio régimen de clima.

Entonces, para desarrollar nuestra hipótesis de trabajo para fabricar un dispositivo de energía de proteína de seda, primero consideramos los dos requisitos previos esenciales para la electricidad del capullo de seda: agua y calor. El agua activa la columna vertebral y las cadenas laterales de la proteína capullo de seda. Al mismo tiempo, el calor perturba la red de enlaces de hidrógeno del agua que rodea a la proteína y provoca el flujo de complejos cargados de tipo polarón mediados por agua16. Por lo tanto, planteamos la hipótesis de que agregar un portador de carga iónica adicional en el complejo de seda y agua aumentará la producción eléctrica durante un período prolongado y puede alterar las propiedades de la superficie de la proteína de seda. Elegimos el cloruro de sodio (NaCl) como portador de carga ya que las proteínas en el sistema biológico funcionan en un fluido extracelular rico en salmuera y son las sales más abundantes en la reserva de agua de la tierra.

Adquirimos los capullos de seda Bombyx mori de Orissa y Chhattisgarh en India. Secamos el capullo a la luz del sol para asegurarnos de que no sobrevivieran pupas en el interior y luego lo secamos con secador para eliminar el polvo y lo guardamos en el gabinete de madera para su uso posterior (Fig. 1a,b). En la sección complementaria, tenemos un video (Video DIY) que explica el proceso de fabricación de la biobatería de proteína de capullo de seda y salmuera alimentada con vapor de agua.

Materiales para la biobatería capullo de seda. (a) Capullos de seda crudos de Bombyx mori. Corte y abra el capullo mostrando la superficie interior y exterior del capullo con una textura claramente diferente. (b) Todos los componentes para la batería de capullo de seda. Dos portaobjetos de vidrio pegados entre sí. Piezas de capullo de seda con una dimensión de 1,1 cm * 2,5 cm. Electrodo de aluminio calibre 32 cortado de lámina de aluminio. Hilos de cobre de alta pureza de 1,12 m (32 AWG) para electrodos de cobre. Manguitos aislantes. (c) Colocación de los electrodos de aluminio en el portaobjetos de vidrio. (d) Colocación de la superficie interna de las piezas de capullo frente al electrodo de aluminio (que se muestra en las flechas punteadas). (e) El dispositivo se conecta al electrómetro y registra datos en el sistema de adquisición. En la sección complementaria, tenemos un video (Video DIY) que explica el proceso de fabricación de la biobatería de proteína de capullo de seda y salmuera alimentada con vapor de agua.

Saturamos las piezas de capullo de seda (Fig. 1b) en una solución acuosa de NaCl. Añadimos 12,5 g de NaCl, ya eso le añadimos 25 ml de agua bidestilada. En cada una de estas soluciones, añadimos dieciséis piezas de capullo de seda y las dejamos en remojo durante 24 h. El material complementario (Tabla 1 del material complementario) analiza la optimización de la dosis de NaCl. Preparamos los dispositivos libres de NaCl mojando las piezas de capullo de seda en agua bidestilada durante 24 h. Para la comparación con otras sales, preparamos los dispositivos de KCl de la misma manera que diseñamos los dispositivos de NaCl (consulte la sección complementaria Tabla 2 del material complementario) para una comparación de los valores eléctricos de los dispositivos de NaCl versus KCl con los dispositivos tratados con agua destilada).

En las Figs. 1 y 2, hemos mostrado todos los materiales y procedimientos para fabricar biobaterías de capullo de seda. Tomamos ocho piezas de Bombyx mori capullo para hacer un solo dispositivo. Alcanzamos empíricamente el uso de ocho piezas del capullo después de múltiples ensayos durante nuestros últimos 12 años de investigación. Anteriormente, hicimos dispositivos con una pieza, dos, cuatro y ocho piezas del capullo. Numerosos ciclos de carga y descarga indican que los dispositivos de ocho piezas funcionan durante un período prolongado de 1 a 6 meses si se almacenan correctamente. Dado que se encuentra en la fase de descubrimiento de tecnología, optamos por utilizar ocho piezas del capullo para desarrollar el prototipo del dispositivo. Para obtener ocho piezas del capullo, usamos cuatro capullos. De cada capullo obtenemos dos piezas para el dispositivo. Un solo dispositivo consta de ocho celdas electroquímicas individuales conectadas en serie (Fig. 2a). Cada celda electroquímica se fabrica colocando un electrodo de aluminio (2,4 cm * 1 cm) en la superficie interior de la pieza de capullo particular y luego enrollando el alambre de cobre a lo largo de la superficie exterior del capullo; Entonces, la pieza de capullo permanece entre los electrodos de aluminio y cobre. Montamos el dispositivo en un portaobjetos de vidrio. Conectamos las ocho unidades electroquímicas en un circuito en serie, y el extremo de cobre (Positivo) y el terminal de aluminio (Negativo) alimentan la energía a un diodo emisor de luz (LED) verde. En la Fig. 2b, c, tenemos la imagen de los dispositivos y la configuración interna para la exposición al vapor de agua y los ciclos de secado.

Procedimiento para fabricar biobatería de capullo de seda. (a) Ocho celdas electroquímicas de seda conectadas en un circuito en serie. (b) La matriz de biobatería de capullo de seda. (c) El agua hirviendo del matraz de fondo redondo suministra vapor de agua. La temperatura en la superficie del dispositivo es de alrededor de 55 a 60 °. (d) Un secador de pelo sopla aire seco para evaporar el agua del dispositivo. Los dispositivos obtienen 2 min de exposición al vapor de agua en todos los experimentos.

Realizamos todos los registros eléctricos en el electrómetro/medidor de alta resistencia Modelo 6517B de 5½ dígitos de Keithley (Keithley Instruments, Inc. 28775, Aurora Road, Cleveland, Ohio, 44139, EE. UU.; http://www.keithley.com/company).

Tomamos los espectros de fotoelectrones de rayos X utilizando el modelo PHI 5000 Versa Prob II, FEI Inc XPS.

Hemos presentado los valores promedio como media ± error estándar, donde n representa el número de dispositivos. Usamos el software Prism 9 para trazar los gráficos y el análisis estadístico.

En la Fig. 3, mostramos las propiedades eléctricas básicas de la biobatería de seda. En la Fig. 3a, hemos mostrado dos trazas representativas de corriente generada por dispositivos de capullo hechos de agua destilada y capullos empapados de NaCl, respectivamente. La corriente de referencia es más alta en el dispositivo capullo empapado en NaCl. Poco después de los 2 minutos de exposición al vapor de agua, la corriente aumenta bruscamente desde la línea de base y, después de alcanzar el pico, comienza a caer. Eventualmente, la corriente alcanza un valor estable, superior al valor de referencia en ambos tipos de dispositivos. A continuación, cuantificamos la línea de base, el pico y los valores de corriente después de 1 h generados por ambos tipos de dispositivos (Fig. 3b). Los valores de corriente de referencia promedio para agua destilada y dispositivos empapados de NaCl son 9,33e-06 ± 6,24e-06 mA; n = 6 y 0,06 ± 0,02 mA; n = 12 respectivamente (corriente promedio ± error estándar; n = número de dispositivos probados). Los valores de corriente pico promedio para agua destilada y dispositivos empapados de NaCl son 0,014 ± 0,003 mA; n = 6 y 3,63 ± 1,07 mA; n = 12, respectivamente. Por lo tanto, el valor de corriente pico promedio para el dispositivo empapado en NaCl es aproximadamente 259 veces mayor que el del dispositivo capullo empapado en agua destilada. Después de 1 h, los valores de corriente promedio para dispositivos empapados de agua destilada y NaCl son 0,002 ± 0,0001 mA; n = 6 y 0,39 ± 0,10 mA; n = 12 respectivamente. Comparando la corriente al inicio y después de 1 h para el dispositivo de NaCl, encontramos un aumento de cinco veces. Por lo tanto, concluimos que la exposición al vapor de agua carga la membrana. Consulte la sección complementaria para comparar los valores eléctricos de los dispositivos de NaCl y KCl.

Propiedades eléctricas de los dispositivos capullo de seda. (a) Comparar una traza de corriente representativa de los dispositivos preparados a partir del capullo empapado en agua destilada y el capullo empapado en NaCl. Los valores actuales se muestran en la escala −1*Log (y). La flecha azul indica el tiempo de exposición de 2 min del vapor de agua. (b) Comparar los valores actuales de referencia, pico y después de una h para dispositivos de capullo empapados en agua destilada y empapados en NaCl. (c) Comparar una traza de voltaje representativa de los dispositivos preparados a partir del capullo empapado en agua destilada y el capullo empapado en NaCl. (d) Comparar los valores de voltaje de línea de base, pico y después de una hora para dispositivos de capullo empapados en agua destilada y empapados en NaCl.

La Figura 3c presenta las trazas de voltaje representativas para dispositivos de capullo hechos de agua destilada y capullos empapados de NaCl. En ambos casos, observamos un pico agudo en el voltaje. El voltaje pico promedio de los dispositivos de capullo fabricados con agua destilada y capullos empapados de NaCl es de 4,8 ± 0,49 V; n = 6 y 4,9 ± 0,22 V; n = 6, respectivamente; lo que indica un voltaje máximo similar, a diferencia de la gran diferencia en los valores actuales (Fig. 3d). El voltaje de referencia del dispositivo empapado en agua destilada es mucho más bajo (0,54 ± 0,12 V; n = 6) que el dispositivo empapado en NaCl (4,33 ± 0,30 V; n = 6). Observamos un cambio de voltaje mucho más abrupto al exponerse al vapor de agua en el caso del dispositivo empapado en agua destilada. El voltaje después de 1 h en el dispositivo empapado en agua destilada frente al dispositivo empapado en NaCl es de 1,7 ± 0,36 V; n = 6 y 4,0 ± 0,22 V; n = 6, respectivamente. Observamos que los voltajes de referencia y después de 1 h para los dispositivos empapados de NaCl varían muy poco.

En el siguiente conjunto de experimentos, estudiamos la función de carga y descarga del dispositivo de capullo empapado en NaCl. En la Fig. 4a, presentamos una traza de corriente representativa del ciclo de carga y descarga en el que el dispositivo funcionó durante 13 h. Al comienzo del ciclo, el dispositivo se carga con vapor de agua y luego se recarga en dos puntos de tiempo con vapor de agua, a las 4,7 h y 12,5 h, respectivamente. El dispositivo se seca entre cada ciclo de carga. Encontramos que a medida que el dispositivo realiza ciclos, la salida de corriente máxima aumenta. La corriente máxima para los tres puntos de carga es de 4,8 mA, 7,8 mA y 9,3 mA, respectivamente. El sistema necesita secarse antes de que podamos recargarlo. Para ver el efecto del secado rápido de la membrana, poco después de exponerla al vapor de agua, aceleramos el secado soplando una corriente de aire seco durante 1 min. La figura 4b consiste en una traza de corriente representativa, donde hemos cargado el dispositivo con vapor de agua seguido de un ciclo de secado de 1 minuto. Realizamos un registro de 27,7 h (Fig. 4b). Secar el dispositivo ayuda a recargar el sistema inmediatamente, como se ve en la Fig. 4c. La Figura 4d,e muestra que la corriente de línea de base aumenta notablemente después del vapor de agua y el ciclo de secado.

Características de carga y descarga del dispositivo capullo empapado en NaCl. ( a ) Traza de corriente representativa durante 13 h, con tres ciclos de carga. Las flechas azules indican el tiempo de exposición al vapor de agua. ( b ) Traza actual representativa durante 27,7 h con vapor de agua intermitente y ciclos de secado rápido. Las zonas sombreadas con colores indican los ciclos. (c) La imagen ampliada de la primera zona sombreada coloreada. Este dispositivo se carga tres veces con vapor de agua y se seca con un soplador (la flecha naranja indica aire seco). (d) La imagen ampliada de la segunda zona sombreada coloreada. Este dispositivo se carga una vez con vapor de agua y se seca con un soplador. (e) La imagen ampliada en la traza actual indica que la corriente de referencia ha aumentado.

Usamos espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) para analizar las superficies del capullo, y las Figs. 5, 6 y la Tabla 1 resumen los datos. Como se muestra en la Fig. 5a–c, la presencia general de carbono, nitrógeno y oxígeno en la superficie del capullo se reduce al humedecerse (Fig. 5b) y luego se recupera ligeramente al exponerse al vapor de agua (Fig. 5c). Tras explorar más a fondo el espectro estrecho para C1s, en las Figs. 5d-f, observamos que la presencia de especies de carbono de baja energía de enlace en la superficie se reduce con la humectación y aún más con la exposición al vapor de agua. El nitrógeno y el oxígeno de espectro estrecho muestran una tendencia similar de reducción de las especies superficiales y su recuperación tras la exposición al vapor de agua (Fig. 5g-l). Entonces, como se muestra en la tabla, la composición de la superficie C:N:O en forma seca es 4:1:2.5. En forma húmeda 2,64:0,55:1,71 y en exposición al vapor de agua es 3,0:0,99:2,57. La relación C:N:O cambiante es evidencia de la reorganización de la membrana, donde la humectación conduce al ablandamiento de la membrana originalmente rígida. La exposición al vapor de agua rico en energía alimenta la alineación de especies ricas en electrones como las especies C–N, C=O y OCNH2 que actúan como cables moleculares para conducir la carga. Por lo tanto, esta membrana biológica es una materia programable que muestra su transformación de una matriz conductora deficiente a una matriz conductora al interactuar con moléculas de agua ricas en energía. La Figura 5m–o mostró los espectros de referencia de Na1s.

Espectro XPS representativo para capullo de seda seco, capullo de seda empapado en agua, capullo de seda empapado en agua y expuesto al vapor de agua. Espectro de estudio del capullo de seda seco. Los picos XPS de color azul, verde y amarillo codifican la energía de enlace más baja a la más alta. Los valores de energía de enlace correspondientes con el código de color respectivo están disponibles en la Tabla 1 (a), capullo de seda empapado en agua (b), capullo de seda empapado en agua y expuesto al vapor de agua (c). Espectro comparativo de C1s para capullo de seda seco (d), capullo de seda empapado en agua (e), capullo de seda empapado en agua y expuesto a vapor de agua (f). Espectro N1s comparativo para capullo de seda seco (g), capullo de seda empapado en agua (h), capullo de seda empapado en agua y expuesto al vapor de agua (i). Espectro comparativo de O1s para capullo de seda seco (j), capullo de seda empapado en agua (k), capullo de seda empapado en agua y expuesto a vapor de agua (l). Espectros de Na comparativos para capullo de seda seco (m), capullo de seda empapado en agua (n), capullo de seda empapado en agua y expuesto al vapor de agua (o).

Espectro XPS para observar cambios en la composición de la superficie del capullo de seda tras la interacción con NaCl. Los picos XPS de color azul, verde y amarillo codifican la energía de enlace más baja a la más alta. Los valores de energía de enlace correspondientes con el código de color respectivo están disponibles en la Tabla 1. XPS para capullo empapado en NaCl acuoso, (a) Espectro de estudio, (b) Espectro C1s, (c) Espectro N1s, (d) Espectro O1s, (e) espectro Cl2p, (f) espectro Na1s; Espectros XPS para capullo empapado en NaCl acuoso y expuesto a vapor de agua, (g) Espectro de encuesta, (h) Espectro C1s. (i) espectro N1s, (j) espectro O1s, (k) espectro Cl2p, (l) espectro Na1s.

A continuación, agregamos NaCl al capullo para aumentar los portadores de carga. Realizamos un análisis XPS detallado (Fig. 6a-l) para comprender los cambios químicos de la superficie al introducir NaCl en el capullo de seda. Las Figuras 6a,g muestran los espectros de estudio para capullos empapados en NaCl y empapados en NaCl más expuestos al vapor de agua. En el capullo empapado en NaCl, la composición superficial del carbono se reduce y el nitrógeno y el oxígeno aumentan tras la exposición al vapor de agua, lo que indica la reprogramación estructural de la membrana (Fig. 6b-d, h-j). En espectros estrechos de oxígeno, un pico de 530 eV corresponde al oxígeno reticular. Mientras que un segundo pico a 533,5 eV significa óxidos expuestos al agua, lo que indica moléculas de agua adsorbidas disociadas o hidroxilos superficiales. Dado que XPS es una técnica de análisis de superficie que evalúa la composición elemental en menos de los 10 nm superiores de la superficie, una reducción drástica en la presencia de sodio y cloruro muestra que estos elementos se filtran en la membrana al exponerse al vapor de agua (Fig. 6e, f, k, l). La filtración de los iones de sodio y cloruro dentro de la estructura de la proteína posiblemente conduce a la formación de puentes conductores, lo que resulta en un aumento de la conductancia. La conductancia basal aumenta al agregar cloruro de sodio, pero la membrana aún mantiene sus rasgos característicos nativos. Todos los valores asignados para los diferentes picos se encuentran en la Tabla 1.

Con el descubrimiento de la máquina de vapor del siglo XVII por parte de Thomas Newcomen y James Watt, desarrollamos el prototipo de una tetera con encendido automático y paneles de vapor de agua para hogares futuristas utilizando una 'biobatería de proteína de capullo de seda y salmuera', donde el calor residual húmedo genera electricidad.

En el primer dispositivo, proponemos que podemos usar el calor residual generado por un hervidor para alimentar el dispositivo (Fig. 7a-d, Video complementario S1). Colocamos el dispositivo en la boca de la tetera, y tras la exposición inicial al vapor de agua durante 2 min, retiramos el dispositivo. La salida del dispositivo genera una corriente baja durante las próximas 24 h, como se ve en forma de un diodo emisor de luz verde brillante. De manera similar, en un prototipo modelo de una casa, colocamos una serie de dispositivos que obtienen exposición al vapor de agua desde la parte inferior (Fig. 8a-c, Video complementario S2). El conjunto de luces sigue funcionando durante un tiempo prolongado. Estos prototipos son ejemplos de la utilización del calor residual para generar electricidad utilizable.

El hervidor de agua con autoencendido. (a) La configuración muestra el dispositivo en la boca de la tetera. (b) LED encendido después de la exposición al vapor de agua. (c) Una vista cercana del LED brillante y la condensación del vapor de agua. (d) El dispositivo, después de retirarlo de la fuente de vapor de agua.

Los paneles de vapor de agua para casas futuristas. (a) La configuración muestra el prototipo de una casa modelo con los paneles hechos de 'bio-batería de proteína de capullo de seda de salmuera'. (b) Los paneles reciben vapor de agua del fondo. Los dispositivos brillantes como se ven en el techo. (c) Los dispositivos que brillan intensamente en el techo de la casa modelo.

El concepto básico y el mecanismo fundamental de la biobatería de seda tienen su origen en la arquitectura porosa asimétrica de los capullos de seda. El tamaño de los poros moleculares es prominente en la superficie exterior y se estrecha a medida que se acerca a la superficie interior. La sección transversal de los poros dentro de la membrana del capullo de seda se asemeja a una geometría similar a un tubo cónico, que se estrecha hacia el lado interior. Nuestros hallazgos anteriores han demostrado que el agua tarda mucho más en entrar en el capullo de seda que cuando pasa del interior al exterior. En cierto sentido, la asimetría de los poros hace que la membrana capullo de seda sea una estructura impermeable9,10,11. Entonces, si todos los poros se llenan de agua, la membrana de seda tendrá un gradiente de agua, lo que resultará en una diferencia de potencial10,11. Supongamos que aplicamos calor a esta estructura llena de agua, luego el agua, junto con las cadenas laterales de la proteína de la membrana de seda, experimenta un movimiento molecular. En esta etapa, los restos de tipo polarón y protón (H3O+) se generan y funcionan como portadores de carga a lo largo de los conductos porosos asimétricos de la membrana del capullo de seda10,11,16. La baja diferencia de potencial inherente de la membrana del capullo de seda ofrece una ligera direccionalidad a estos portadores de carga tipo polaron10,11,16. Entonces creamos una diferencia de potencial adicional colocando la membrana entre electrodos asimétricos con diferentes valores de electronegatividad. Elegimos aluminio y cobre con valores de electronegatividad de 1,61 y 1,90, respectivamente, utilizando la escala de Pauling.

Sin embargo, el desafío sigue siendo cómo aumentar los portadores de carga. La densidad del portador de carga decidirá la salida actual. Por lo tanto, mejoramos los portadores de carga sumergiendo el capullo de seda en una solución de salmuera: los poros se llenan con iones de sodio y cloruro y moléculas de agua. Ahora, el sistema consta de una membrana de seda asimétrica rica en portadores de carga iónica, junto con moléculas de agua para ayudar al flujo de iones. La figura 9 proporciona un resumen gráfico del mecanismo de la biobatería de seda.

Mecanismo putativo de la biobatería de capullo de seda. (a) La imagen del capullo muestra las distintas superficies interior y exterior del capullo para explicar la naturaleza asimétrica de la membrana del capullo de seda. (b) Los poros a través de la membrana se forman de tal manera que parecen canales tortuosos y cónicos. Los canales se estrechan hacia la superficie interior y se vuelven más prominentes en la superficie exterior. (c) Cuando se exponen al vapor de agua, los canales atrapan el vapor de agua y crean un gradiente de agua. El calor adicional provoca el movimiento en las cadenas laterales de las proteínas, que interactúan con las moléculas de agua y dan como resultado la formación de complejos similares a polarones y especies de H3O+. (d) La adición de NaCl provoca un aumento en la densidad de los portadores de carga y da como resultado un aumento significativo en la conductancia.

Para nuestra sorpresa, la exposición de 2 minutos al calor húmedo altera las propiedades de la superficie de la membrana del capullo de seda. El primer evento que observamos (Tabla 1) es la exposición proporcionalmente más prominente de las especies de carbono de alta energía y densas en electrones (C–N, C=C, C=O) en la superficie del capullo. El segundo aspecto (Tabla 1) que encontramos es que los iones de sodio y cloruro penetran en la matriz. Dado que el sistema de capullo de seda tiene una asimetría inherente, el movimiento de cargas dentro de la matriz da como resultado una distribución asimétrica después de la exposición al vapor de agua. Muy posiblemente, las especies iónicas que interactúan con las cadenas de proteínas y el agua forman grupos de puentes iónicos que dan como resultado una conducción mejorada.

Además, el ciclo alterno de "vapor de agua y aire seco" provoca un movimiento rápido de las moléculas de agua a través de los conductos porosos asimétricos de la membrana del capullo de seda. Este proceso da como resultado una recarga rápida de la membrana. De lo contrario, la membrana debe secarse parcialmente antes de que podamos recargarla. El punto crítico que surge de esta nueva clase de biobatería de seda es la concentración óptima de agua dentro de la membrana de capullo de seda asimétrica, suficientes portadores de carga para generar la corriente adecuada y una rápida perturbación del sistema con calor.

El presente estudio abre algunos aspectos interesantes sobre las propiedades eléctricas de la membrana proteica del capullo de seda. El fuerte aumento inicial en la corriente desde la línea de base posterior a la exposición al vapor de agua se asemeja a las características de semiconductores en las proteínas. Si bien los semiconductores conocidos son en su mayoría inorgánicos u orgánicos, los resultados actuales apuntan hacia una oportunidad de investigación para dispositivos semiconductores basados ​​en proteínas. Con el avance de la biotecnología, la producción de proteínas a gran escala es una opción bastante factible17,18,19,20. Es posible que en el futuro encontremos aplicaciones industriales para productos electrónicos biodegradables, a base de agua y flexibles.

La siguiente observación es el cambio hacia arriba en la corriente de referencia después de la exposición al vapor de agua. La conductividad de la membrana mejora después de 2 min de exposición al vapor de agua y aparece como un cambio en el estado de conductancia de la membrana, un fenómeno algo similar a la adquisición de memoria por potenciación a largo plazo en la red neuronal21. Una vez que la membrana húmeda se perturba térmicamente hasta un punto crítico, desencadena una cascada de actividad eléctrica. Los múltiples ciclos de carga y descarga sugieren que la membrana de seda tiene una memoria incorporada y se activa con la humedad y el calor. En esencia, es un dispositivo termistor a base de agua.

La conductancia mejoró aún más cuando los iones de sodio y cloruro se filtraron dentro de la matriz proteica y posiblemente formaron puentes salinos. Estos puentes de sal nanoscópicos ayudan a cargar el salto a través de la proteína del capullo. El aspecto más llamativo es la persistencia de la corriente en capullos empapados de NaCl expuestos al vapor de agua. Es algo que observamos por primera vez: la proteína del capullo funciona como una matriz de electrolitos sólidos que se reprograma en respuesta a la humedad y el calor.

El ciclo 'vapor de agua-aire seco' para la carga y descarga rápidas de la batería Cocoon se inspira en la ecología Cocoon. El capullo permanece en un microecosistema donde las hojas de la planta le ofrecen un ecosistema húmedo mientras que la luz del sol provoca la transpiración. Entonces, como un termopar, el capullo experimenta un régimen de baja y alta temperatura. Un nivel de agua óptimo dentro de los poros del capullo ayuda a mantener el crecimiento del gusano en su interior. La temperatura y la humedad son altas, especialmente en los trópicos, cuando la pupa emerge como mariposa después de la metamorfosis5. Entonces, la membrana se carga eléctricamente para indicarle a la mariposa que salga del capullo10,12. Tomamos prestada esta idea del biosistema del capullo y la expusimos a un ciclo alternativo de 'vapor de agua-aire seco' para obtener la corriente máxima durante un tiempo prolongado. Es un ejemplo de un 'termopar de proteína' en algún sentido. La figura 10a–c explica el proceso de carga y descarga en términos de ecología del capullo.

Ecología del capullo. (a) Durante el día, la radiación solar provoca la evapotranspiración de la naturaleza. La humedad queda atrapada en los canales microestructurados del capullo de seda debido a su proximidad a la vegetación circundante. (b) Durante la noche, la humedad atrapada se condensa dentro de los poros del capullo de seda a medida que desciende la temperatura. (c) La aplicación simultánea de aire seco y vapor de agua provoca un gradiente de agua a través del capullo. (d) La capacidad natural de Cocoon para atrapar la humedad y convertirla en electricidad verde lo convierte en un material adecuado para dispositivos AWG.

La evidencia del análisis XPS arroja luz sobre algunos de estos eventos moleculares superficiales que causan el aluvión de actividades eléctricas. El vapor de agua reduce la presencia superficial de especies de carbono de baja energía (C–C, C–H). Por el contrario, las especies de carbono densas en electrones y de alta energía (C–N, C=C, C=O) permanecieron sin cambios, lo que posiblemente mejoró el salto de carga superficial.

La diferencia fundamental entre la batería convencional y la biobatería de capullo de seda es la carga con vapor de agua y la explotación de la geometría asimétrica de la membrana de capullo de seda nativa. Hasta la fecha, ninguna batería tiene el potencial de cargarse con vapor de agua. El vapor de agua atmosférico es un recurso abundante e ilimitado alimentado por el ciclo hidrológico de la tierra. Tres mil cien millas cúbicas de la atmósfera son vapor de agua22. Aprovechar el vapor de agua para generar electricidad utilizando una interfaz de proteína natural es la invención de este estudio. Además, la gran cubierta oceánica hace que el NaCl sea un recurso abundante. En esta etapa, la investigación actual informa sobre un prototipo hecho por humanos. En el futuro, cuando la tecnología se traduzca a escala industrial, promete aprovechar la electricidad verde de todos los abundantes recursos naturales de la tierra. En la figura, hemos dado un esquema propuesto para aplicaciones futuras.

La búsqueda continua para satisfacer la demanda de agua dulce atrae el interés hacia mejoras intensas en el diseño de un Generador de Agua Atmosférica (AWG)22 más eficiente. La geometría asimétrica de los capullos de seda, su tendencia natural a atrapar la humedad y su capacidad para generar corriente pueden encontrar un componente innovador en el desarrollo futurista de AWG (Fig. 10d). Con los avances tecnológicos en la fabricación ecológica, el diseño de una arquitectura de biopolímeros inspirada en un capullo es una solución ecológica para el material que atrapa la humedad. La funcionalidad incorporada adicional para recolectar electricidad de tales estructuras es de inmensa importancia para satisfacer las necesidades energéticas en lugares remotos, ubicaciones estratégicas y la plétora de otros aspectos inexplorados de la ingeniería.

Además de nuestros esfuerzos para acoplar el sistema de energía con diferentes módulos de liberación de vapor de agua, estamos trabajando en las siguientes áreas. Actualmente estamos ajustando el sistema para aplicaciones de biosensores de alimentos, integrando el sistema con el cuerpo humano para terapias de baja corriente para problemas neurológicos crónicos. Estamos combinando el diseño con un tubo de escape de automóvil donde se condensa una cantidad significativa de vapor de agua. El acoplamiento de la presente invención será un modo adicional de generar energía a partir del sistema de escape del automóvil.

Con respecto a las limitaciones del estudio actual, todavía necesitamos explorar los eventos moleculares exactos que orquestan la alta conductancia dentro de la molécula de proteína. Sin embargo, el aspecto más prometedor es que los presentes hallazgos nos obligan a revisar nuestra perspectiva de biodiseño de la fabricación. Los procesos de fabricación modernos luchan contra las emisiones excesivas de gases de efecto invernadero23. Al considerar proteínas como la seda, la naturaleza ha optimizado la ruta de fabricación sostenible a través de una escala de tiempo evolutiva. Otros ejemplos clásicos en el armario de la naturaleza de sistemas autosuficientes de recolección y almacenamiento de energía son los sistemas de cloroplastos fotosensibles y las cadenas de transporte de electrones de las mitocondrias. La gran cantidad de proteínas incrustadas en estos sistemas y otras células generan corrientes húmedas de baja intensidad mientras detectan luz, calor, vibraciones, olor, voltaje, presión osmótica y pH. Estas proteínas son canales, bombas y poros cruciales para el funcionamiento de nuestro cerebro, corazón y músculos. Los biosistemas dependen de estas cantidades minúsculas de electricidad húmeda generada por estas proteínas a lo largo de su supervivencia. La naturaleza ha optimizado su maquinaria genética y enzimática para minimizar la huella de carbono en la producción de estas proteínas. Sin embargo, el desafío tecnológico es aislar estas proteínas manteniendo su integridad funcional. Además, el desafío es cómo aumentar la producción actual.

En el presente estudio, tomamos prestada la inteligencia del gusano capullo de seda. Los gusanos de seda desarrollan este capullo de seda de material termoeléctrico húmedo para orquestar la metamorfosis. Tomamos prestada la inteligencia incorporada de esta robusta proteína y aumentamos sus portadores de carga. Los resultados son vías prometedoras y abiertas para el desarrollo a escala industrial de semiconductores basados ​​en proteínas, dispositivos de energía, incubadoras, transportadores de fármacos y electrodos de proteínas para aplicaciones biomédicas y bioelectrónicas.

Todos los datos utilizados para generar las cifras y respaldar el texto de esta revisión están disponibles previa solicitud por correo electrónico al autor correspondiente: [email protected], [email protected].

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Agradecemos al Sr. Bharat Kumar, quien nos ayudó en la fabricación del dispositivo y en la preparación del video complementario DIY.

Centro de Tecnología de Nanociencia, Universidad de Florida Central, Orlando, Fl, 32826, EE. UU.

Himanshi-jangir

Departamento de Diseño, Instituto Indio de Tecnología de Kanpur, Kanpur, UP, 208016, India

Mainak Das

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HJ y MD concibieron la idea, diseñaron los experimentos, recopilaron los datos y escribieron el manuscrito.

Correspondencia a Himanshi Jangir o Mainak Das.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Jangir, H., Das, M. Diseño de una biobatería de proteína de capullo de seda y salmuera alimentada con vapor de agua para una tetera con autoencendido y paneles de vapor de agua. Informe científico 12, 13999 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18211-x

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Recibido: 14 junio 2022

Aceptado: 08 agosto 2022

Publicado: 17 agosto 2022

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

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