Föreställ dig att du laddar din telefon när du går, tack vare en papperstunn generator inbäddad i sulan på din sko. Detta futuristiska scenario är nu lite närmare verkligheten. Forskare från det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har utvecklat ett sätt att generera kraft med hjälp av ofarliga virus som omvandlar mekanisk energi till elektricitet.
Forskarna testade sitt tillvägagångssätt genom att skapa en generator som producerar tillräckligt med ström för att driva en liten flytande kristallskärm. Det fungerar genom att knacka med ett finger på en frimärksstor elektrod belagd med speciellt framtagna virus. Virusen omvandlar kraften från kranen till en elektrisk laddning.
Deras generator är den första som producerar elektricitet genom att utnyttja de piezoelektriska egenskaperna hos ett biologiskt material. Piezoelektricitet är ackumuleringen av en laddning i ett fast ämne som svar på mekanisk stress.
Milstolpen kan leda till små enheter som hämtar elektrisk energi från vibrationerna från vardagliga uppgifter som att stänga en dörr eller gå i trappor.
Det pekar också på ett enklare sätt att göra mikroelektroniska enheter. Det beror på att virusen ordnar sig till en ordnad film som gör att generatorn kan fungera. Självmontering är ett mycket eftertraktat mål i nanoteknikens knäppa värld.
Forskarna beskriver sitt arbete i en onlinepublikation av tidskriften den 13 maj Naturens nanoteknik .
"Det behövs mer forskning, men vårt arbete är ett lovande första steg mot utvecklingen av personliga kraftgeneratorer, ställdon för användning i nano-enheter, och andra enheter baserade på viral elektronik, " säger Seung-Wuk Lee, en fakultetsforskare vid Berkeley Labs Physical Biosciences Division och en UC Berkeley docent i bioteknik.
Han genomförde forskningen med ett team som inkluderar Ramamoorthy Ramesh, en vetenskapsman vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och professor i materialvetenskap, teknik, och fysik vid UC Berkeley; och Byung Yang Lee från Berkeley Labs avdelning för fysiska biovetenskaper.
Den piezoelektriska effekten upptäcktes 1880 och har sedan dess hittats i kristaller, keramik, ben, proteiner, och DNA. Den har också tagits i bruk. Elektriska cigarettändare och skanningssondmikroskop kunde inte fungera utan det, för att nämna några ansökningar.
Men materialen som används för att tillverka piezoelektriska enheter är giftiga och mycket svåra att arbeta med, vilket begränsar den utbredda användningen av tekniken.
Lee och kollegor undrade om ett virus som studerats i laboratorier över hela världen erbjöd ett bättre sätt. M13-bakteriofagen angriper bara bakterier och är godartad för människor. Att vara ett virus, den replikerar sig själv i miljoner inom timmar, så det finns alltid en jämn tillgång. Det är lätt att genmanipulera. Och ett stort antal av de stavformade virusen orienterar sig naturligt i välordnade filmer, ungefär som ätpinnar placerar sig i en låda.
Det är dessa egenskaper som forskare letar efter i en nanobyggsten. Men Berkeley Lab-forskarna var först tvungna att avgöra om M13-viruset är piezoelektriskt. Lee vände sig till Ramesh, en expert på att studera de elektriska egenskaperna hos tunna filmer i nanoskala. De applicerade ett elektriskt fält på en film av M13-virus och såg vad som hände med hjälp av ett speciellt mikroskop. Spiralformade proteiner som täcker virusen vridna och vända som svar - ett säkert tecken på den piezoelektriska effekten på jobbet.
Nästa, forskarna ökade virusets piezoelektriska styrka. De använde genteknik för att lägga till fyra negativt laddade aminosyrarester till ena änden av de spiralformade proteinerna som täcker viruset. Dessa rester ökar laddningsskillnaden mellan proteinernas positiva och negativa ändar, vilket ökar spänningen hos viruset.
Forskarna förbättrade systemet ytterligare genom att stapla filmer som består av enstaka lager av viruset ovanpå varandra. De fann att en hög ca 20 lager tjock uppvisade den starkaste piezoelektriska effekten.
Det enda som återstod att göra var ett demonstrationstest, så forskarna tillverkade en virusbaserad piezoelektrisk energigenerator. De skapade förutsättningarna för genetiskt modifierade virus att spontant organisera sig till en flerskiktsfilm som mäter cirka en kvadratcentimeter. Denna film placerades sedan mellan två guldpläterade elektroder, som var anslutna med ledningar till en flytande kristallskärm.
När tryck appliceras på generatorn, den producerar upp till sex nanoampere ström och 400 millivolt potential. Det är tillräckligt med ström för att blinka siffran "1" på displayen, och ungefär en fjärdedel av spänningen hos ett trippel A-batteri.
"Vi arbetar nu på sätt att förbättra denna demonstration av principbevis, " säger Lee. "Eftersom bioteknikens verktyg möjliggör storskalig produktion av genetiskt modifierade virus, piezoelektriska material baserade på virus kan erbjuda en enkel väg till ny mikroelektronik i framtiden."
