小中大利用无害病毒将机械能转化为电能
来自美国能源部劳伦斯-伯克利国家实验室的研究人员开发出一种新的发电方法：利用无害的病毒将机械能转化为电能。
在这项研究中,研究人员通过构建产生足够的电流让一个小的液晶显示器工作的发电器来测试他们的方法。当用手指轻敲经过特殊改造的病毒包被的邮票一样大小的电极时,这种发电器就能发挥作用。这些病毒将轻敲的力量转化为电荷。他们的发电器是第一个利用生物材料的压电性质来产生电能的仪器。压电性是指固体对机械应力作出反应而积累电荷。相关研究结果于2012年5月13日在线发表在Nature Nanotechnology期刊上,论文标题为"Virus-based piezoelectric energy generation"。
这一里程碑的发现可能导致人们开发出微小的仪器,而且该仪器利用日常生活中的振动如关门或者爬楼梯来收集电能。它也指出一种更加简单的制造微电子设备的方法。这是因为这些病毒自组装形成一层有序的薄膜从而能够让发电器工作。在苛刻的纳米技术领域,自组装是人们一直在追求的目标。
伯克利实验室物理生物科学部门研究员和加州大学伯克利分校生物工程副教授Seung-Wuk Lee说,"尽管还需要开展更多的研究,但是我们的研究是人们在未来基于病毒电子学开发出用于纳米设备和其他设备中的个人发电器和驱动器的良好开端。"
自从1880年压电效应被发现以来,人们在晶体、陶瓷、骨、蛋白和DNA中发现这种效应。而且,它也被人们应用于实际。列举一些新的应用：电子打火机和扫描探针显微镜就利用这种效应来工作的。但是用来制造压电设备的材料是有毒性的,而且很难处理,这就限制了这项技术的广泛使用。
Lee和同事们想知道一种在全世界被广泛研究的病毒是否能够提供更好的方法。M13噬菌体只攻击细菌,对人类无害。作为一种病毒,它在几小时之内能够几百万倍地自我复制,因此总是能够提供稳定的供应。而且人们也容易对它进行基因改造。大量的这种杆状病毒自然地进行自发排布而形成有序的薄膜,非常类似于筷子在盒子中的排列方式。
这些正是科学家们所寻求的纳米结构单元的特征。但是,伯克利实验室研究人员首先不得不确定M13病毒是否具有压电性。他们施加电场到M13病毒组成的薄膜上,然后利用一种特殊的显微镜来观察发生什么。包被M13病毒的螺旋蛋白对此产生反应而发生扭曲和翻转---这是压电效应发挥作用的一种确切性标记。接下来,研究人员增加M13病毒的压电强度。他们利用基因工程技术将4个带负电荷的氨基酸残基加入到包被M13病毒的螺旋蛋白的一端。这些残基增加这些蛋白的正电荷和负电荷末端之间的电荷差异,从而提高M13病毒上的电压。研究人员接着继续改善这种系统：将单层由M13病毒组成的薄膜在彼此的顶部进行堆积。他们发现将大约20层薄膜堆叠在一起表现出最强的压电效应。唯一需要做的事情就是就进行实验验证,为此,研究人员构建出一种基于病毒的压电能量发生器。他们通过改善条件而让经过基因改造的M13病毒自发组装成大约1平方厘米大小的多层薄膜。这种多层薄膜然后被夹在两个镀金电极之间,然后再用导线将这两个电极连接到一个液晶显示器上。
当施加压力到发生器上时,它产生多达6毫微安的电流和400毫伏的电势。这种电流足够让显示器上的数字“1”发出闪光,而这种电势大约是3A电池电压的四分之一。
Lee说,"如今,我们正在研究进一步改善这种系统的方法。因为这种生物技术工具能够大规模生产基因改造病毒,所以基于病毒的压电材料可能在未来提供一种简单的方法来制造新的微电子仪器。"
