基于双水相系统的机械能-电能转换：纳米发电机可能为生命起源提供能量

在生命起源时，最初的生物反应所需的能量来源自哪里？维持生命的能量又源自何处？在早期生命物质扩增时明显存在着有序化迹象，因此系统内熵减必然需要额外的能量来源，而这一能量来源问题一直困扰着科学界。目前科学界普遍认为早期生命起源的能量来源只能是太阳能，但太阳能的利用往往依赖叶绿体等复杂结构，因此寻找更多可能的能量源对于正确揭示生命演化过程至关重要。

早期生命形成于大约37亿至40亿年前太古之初，彼时地球上存在着多种多样的全水相液态物质，它们通过液-液相分离 (LLPS) 浓缩并形成生化化合物的区隔室，为无机物质向有机物质的转变、首批原始细胞的形成等生命起源中重要的生化反应及过程提供场所。这些基于LLPS区室化的原始生命过程需要能量。电能作为重要的能源，可能是最原始的催化条件。但全水相LLPS区室化体系自身能否提供相应的电能为原始生命过程提供驱动源，鲜见研究。

在常规认知中，水通常都是电中性的代表。由于水中自由的离子运动，轻微的电势分布差异可以快速诱导带电离子重新分布，因此在全水环境中，静电往往无处匿踪。那么在早期生命起源过程中是否存在跨全水LLPS区室相界面的电势分布、为相关的生命过程提供电能驱动源呢？

青岛大学的马庆明教授和王晓雄教授等针对这一问题，构建了模拟全水相LLPS的双水相界面体系（aqueous two-phase system，ATPS），发现该体系具有独特的电荷转移效应，并基于此构建了新型纳米发电机。这一纳米发电机可以为原始生命过程提供电能驱动源，“生命的能量源于生命本身”，为解释早期地球在有生命出现以前、原始生物过程的进行提供了一个有效且极具创新性的技术方案。相关工作新近以“Liquid-liquid triboelectric nanogenerator based on the immiscible interface of an aqueous two-phase system”为题发表于国际著名期刊Nature Communications | (2022) 13:5316，该工作得到了国家自然科学基金、山东省高等学校青创滚球体育 计划创新团队发展计划等项目资助。

图1. （a）ATPS 液-液纳米发电机（L-L TENG）的接触分离模式工作原理及其（b）光学照片。

这一接触起电体系依靠聚乙二醇（PEG）-葡聚糖（DEX）两相溶液的接触分离完成，其中DEX悬挂于针头（顶电极），而PEG置于铝箔纸上（底电极），通过液滴接触起电，在液滴相对位置发生变化时，诱导背电极产生相应的电荷量变化，从而在外电路产生对应的电流，实现能量输出。

图2. 对应水溶液体系的选择，（a）图中横坐标为一组材料选择，柱状图颜色代表另一种材料，柱高低代表了单液滴起电量的大小。（b）图展示出PEG-DEX体系的巨大输出优势。（c）图为PEG-DEX浓度对于最终输出结果的影响。

在本工作中，首先测试了多种不同组分的相容性及电学信号。在这一问题中，有两个核心要素需要考虑，第一要素是两个水溶液液滴是否能够实现有效的接触分离，在研究过程中部分材料对出现了明显的接触相融或者沉淀等现象，这就阻碍了对应纳米发电机的设计；而第二个要素就是接触起电量大小，在这一效果评估上，PEG-DEX溶液对表现除了巨大的优势。具体材料性能参见文章补充材料。

图3. 有效接触面积改变对于动电容影响示意图。

在实际测试过程中，我们发现体系电荷转移量较大，较大的电荷转移量我们认为主要由于有效接触面积优势，这一定程度上也能够帮助分析液-固接触时的一些异常。此外，体系双电层对于最终电压影响也是不可忽略的因素。未来可以基于这两个因素展开进一步的研究工作。

图4. ATPS L-L TENG在（a）电容充电方面表现出了很大的优势，这一TENG甚至可以用于给（b）超级电容器充电。

在研究过程中，该纳米发电机被发现有两大优势。首先其转移电荷密度大，这意味着它能够对电容进行更快速的充电，这一点也被实验所证实。值得一提的是，由于ATPS L-L TENG的输出电压较低，因此在高电压充电阶段依然会表现出劣势；另外这一发电机的设计基于PEG-DEX-水，这一体系具有良好的生物相容性，并且能够有效负载药物，因此在未来可穿戴器件及可植入器件方面有着巨大的潜力。