基于雙水相系統的機械能-電能轉換：納米發電機可能為生命起源提供能量

?在生命起源時，最初的生物反應所需的能量來源自哪里？維持生命的能量又源自何處？在早期生命物質擴增時明顯存在著有序化跡象，因此系統內熵減必然需要額外的能量來源，而這一能量來源問題一直困擾著科學界。目前科學界普遍認為早期生命起源的能量來源只能是太陽能，但太陽能的利用往往依賴葉綠體等復雜結構，因此尋找更多可能的能量源對于正確揭示生命演化過程至關重要。

早期生命形成于大約37億至40億年前太古之初，彼時地球上存在著多種多樣的全水相液態物質，它們通過液-液相分離 (LLPS) 濃縮并形成生化化合物的區隔室，為無機物質向有機物質的轉變、首批原始細胞的形成等生命起源中重要的生化反應及過程提供場所。這些基于LLPS區室化的原始生命過程需要能量。電能作為重要的能源，可能是最原始的催化條件。但全水相LLPS區室化體系自身能否提供相應的電能為原始生命過程提供驅動源，鮮見研究。

在常規認知中，水通常都是電中性的代表。由于水中自由的離子運動，輕微的電勢分布差異可以快速誘導帶電離子重新分布，因此在全水環境中，靜電往往無處匿蹤。那么在早期生命起源過程中是否存在跨全水LLPS區室相界面的電勢分布、為相關的生命過程提供電能驅動源呢？

青島大學的馬慶明教授和王曉雄教授等針對這一問題，構建了模擬全水相LLPS的雙水相界面體系（aqueous two-phase system，ATPS），發現該體系具有獨特的電荷轉移效應，并基于此構建了新型納米發電機。這一納米發電機可以為原始生命過程提供電能驅動源，“生命的能量源于生命本身”，為解釋早期地球在有生命出現以前、原始生物過程的進行提供了一個有效且極具創新性的技術方案。相關工作新近以“Liquid-liquid triboelectric nanogenerator based on the immiscible interface of an aqueous two-phase system”為題發表于國際著名期刊Nature Communications | (2022) 13:5316，該工作得到了國家自然科學基金、山東省高等學校青創科技計劃創新團隊發展計劃等項目資助。

圖1. （a）ATPS 液-液納米發電機（L-L TENG）的接觸分離模式工作原理及其（b）光學照片。

這一接觸起電體系依靠聚乙二醇（PEG）-葡聚糖（DEX）兩相溶液的接觸分離完成，其中DEX懸掛于針頭（頂電極），而PEG置于鋁箔紙上（底電極），通過液滴接觸起電，在液滴相對位置發生變化時，誘導背電極產生相應的電荷量變化，從而在外電路產生對應的電流，實現能量輸出。

圖2. 對應水溶液體系的選擇，（a）圖中橫坐標為一組材料選擇，柱狀圖顏色代表另一種材料，柱高低代表了單液滴起電量的大小。（b）圖展示出PEG-DEX體系的巨大輸出優勢。（c）圖為PEG-DEX濃度對于最終輸出結果的影響。

在本工作中，首先測試了多種不同組分的相容性及電學信號。在這一問題中，有兩個核心要素需要考慮，第一要素是兩個水溶液液滴是否能夠實現有效的接觸分離，在研究過程中部分材料對出現了明顯的接觸相融或者沉淀等現象，這就阻礙了對應納米發電機的設計；而第二個要素就是接觸起電量大小，在這一效果評估上，PEG-DEX溶液對表現除了巨大的優勢。具體材料性能參見文章補充材料。

圖3. 有效接觸面積改變對于動電容影響示意圖。

在實際測試過程中，我們發現體系電荷轉移量較大，較大的電荷轉移量我們認為主要由于有效接觸面積優勢，這一定程度上也能夠幫助分析液-固接觸時的一些異常。此外，體系雙電層對于最終電壓影響也是不可忽略的因素。未來可以基于這兩個因素展開進一步的研究工作。

圖4. ATPS L-L TENG在（a）電容充電方面表現出了很大的優勢，這一TENG甚至可以用于給（b）超級電容器充電。

在研究過程中，該納米發電機被發現有兩大優勢。首先其轉移電荷密度大，這意味著它能夠對電容進行更快速的充電，這一點也被實驗所證實。值得一提的是，由于ATPS L-L TENG的輸出電壓較低，因此在高電壓充電階段依然會表現出劣勢；另外這一發電機的設計基于PEG-DEX-水，這一體系具有良好的生物相容性，并且能夠有效負載藥物，因此在未來可穿戴器件及可植入器件方面有著巨大的潛力。