Forskere genererer elektricitet fra vira

Forestil dig at oplade din telefon, mens du går, takket være en papirtynd generator indlejret i sålen på din sko. Dette futuristiske scenario er nu lidt tættere på virkeligheden. Forskere fra US Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har udviklet en måde at generere strøm ved hjælp af harmløse vira, der konverterer mekanisk energi til elektricitet.

Forskerne testede deres tilgang ved at oprette en generator, der producerer nok strøm til at betjene et lille flydende krystaldisplay. Det virker ved at trykke en finger på en elektrode i frimærke i størrelse belagt med specielt konstruerede vira. Virusene konverterer hanens kraft til en elektrisk ladning.

Deres generator er den første til at producere elektricitet ved at udnytte de piezoelektriske egenskaber af et biologisk materiale. Piezoelektricitet er akkumulering af en ladning i et fast stof som reaktion på mekanisk belastning.

Milepælen kan føre til bittesmå enheder, der høster elektrisk energi fra vibrationer i hverdagens opgaver som f.eks. At lukke en dør eller gå op ad trapper.

Det peger også på en enklere måde at lave mikroelektroniske enheder på. Det er fordi virusene indretter sig i en ordnet film, der gør generatoren i stand til at fungere. Selvsamling er et meget eftertragtet mål i nanoteknologiens finurlige verden.

Forskerne beskriver deres arbejde i et onlinepublicering af tidsskriftet den 13. maj Naturnanoteknologi .

"Der er brug for mere forskning, men vores arbejde er et lovende første skridt i retning af udviklingen af ​​personlige kraftproducenter, aktuatorer til brug i nano-enheder, og andre enheder baseret på viral elektronik, "siger Seung-Wuk Lee, en fakultetsforsker i Berkeley Labs Physical Biosciences Division og en UC Berkeley lektor i bioingeniør.

Han udførte forskningen med et team, der omfatter Ramamoorthy Ramesh, en videnskabsmand i Berkeley Labs afdeling for materialevidenskaber og en professor i materialevidenskab, ingeniørarbejde, og fysik ved UC Berkeley; og Byung Yang Lee fra Berkeley Labs division for fysiske biovidenskaber.

Den piezoelektriske effekt blev opdaget i 1880 og er siden fundet i krystaller, keramik, knogle, proteiner, og DNA. Det er også taget i brug. Elektriske cigarettændere og scanning sonde mikroskoper kunne ikke fungere uden det, for at nævne nogle få applikationer.

Men de materialer, der bruges til at lave piezoelektriske enheder, er giftige og meget vanskelige at arbejde med, hvilket begrænser den udbredte brug af teknologien.

Lee og kolleger spekulerede på, om en virus, der blev undersøgt i laboratorier verden over, tilbød en bedre måde. M13 -bakteriofagen angriber kun bakterier og er godartet over for mennesker. At være en virus, det replikerer sig selv med millioner inden for timer, så der er altid en stabil forsyning. Det er let at genetisk manipulere. Og et stort antal af de stavformede vira orienterer sig naturligvis i velordnede film, meget på den måde, at spisepinde retter sig ind i en kasse.

Dette er de træk, forskere leder efter i en nano -byggesten. Men Berkeley Lab -forskerne skulle først afgøre, om M13 -virussen er piezoelektrisk. Lee vendte sig til Ramesh, en ekspert i at studere de elektriske egenskaber af tynde film på nanoskalaen. De anvendte et elektrisk felt på en film af M13 -vira og så, hvad der skete med et specielt mikroskop. Spiralformede proteiner, der dækker vira, snoet og drejet som svar - et sikkert tegn på den piezoelektriske effekt på arbejdet.

Næste, forskerne øgede virusets piezoelektriske styrke. De brugte genteknologi til at tilføje fire negativt ladede aminosyrerester til den ene ende af de spiralformede proteiner, der dækker viruset. Disse rester øger ladningsforskellen mellem proteinernes positive og negative ender, hvilket øger virusspændingen.

Forskerne forbedrede systemet yderligere ved at stable film sammensat af enkeltlag af virussen oven på hinanden. De fandt ud af, at en stak på omkring 20 lag tyk udviste den stærkeste piezoelektriske effekt.

Det eneste, der var tilbage at gøre, var en demonstrationstest, så forskerne fremstillede en virusbaseret piezoelektrisk energigenerator. De skabte betingelserne for, at genetisk manipulerede vira spontant kunne organisere sig i en flerlagsfilm, der måler omkring en kvadratcentimeter. Denne film blev derefter klemt inde mellem to forgyldte elektroder, som blev forbundet med ledninger til et flydende krystaldisplay.

Når der lægges tryk på generatoren, det producerer op til seks nanoampere strøm og 400 millivolt potentiale. Det er nok strøm til at blinke tallet "1" på displayet, og cirka en fjerdedel spændingen af ​​et tredobbelt A -batteri.

"Vi arbejder nu på måder at forbedre denne bevis-på-princip-demonstration, "siger Lee." Fordi bioteknologiens værktøjer muliggør produktion i stor skala af genetisk modificerede vira, piezoelektriske materialer baseret på vira kunne tilbyde en enkel vej til ny mikroelektronik i fremtiden. "