Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Прототип первого "вирусно-электрического" генератора, использующий пьезоэлектрический эффект генно-модифицированных вирусов М13
Длина бактериофага M13 составляет 880 нм, диаметр – около 6,6 нм. Он покрыт приблизительно 2700 заряженными белками, что позволяет использовать вирус как пьезоэлектрическое нановолокно
Снимок 3-D атомно-силовой микроскопии показывает, как вирусы самостоятельно выстраиваются в слой «side by side». Верхнее изображение отображает структурно-зависимые пьезоэлектрические свойства слоя (чем выше электрическое напряжение, тем ярче цвет)
Слева направо: Byung Yang Lee, Seung-Wuk Lee и Ramamoorthy Ramesh, разработавшие «вирусно-электрический» генератор.
Фотограф: Roy Kaltschmidt (Лаборатория Беркли)

Ученые Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли произвели электричество из вирусов

Ключевые слова:  биоинженерия, вирусы, пьезоэлектрик, электрогенератор

Опубликовал(а):  Поверенная Мария

16 мая 2012

Новый метод является первым шагом для разработки крошечных устройств, производящих электроэнергию для повседневных нужд

Представьте, что в то время как вы идете, ваш телефон заряжается благодаря тому, что к подошве вашей обуви приделан генератор толщиной не более одного листа бумаги. Этот футуристический сценарий в настоящее время приблизился к реальности. Ученые Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли Департамента энергетики США (The U.S. Department of Energy’s Lawrence Berkeley National Laboratory) или Лаборатории Беркли (Berkeley Lab) разработали новый метод производства энергии, используя безвредные вирусы, способные преобразовывать механическую энергию в электрическую.

Ученые протестировали свой новый метод, создав генератор, производящий достаточное количество электрического тока для работы небольшого ЖК дисплея. Он работает от нажатия пальцем на электрод с размером в почтовую марку, содержащий специально выращенные вирусы. Эти вирусы преобразуют силу нажатия в электрический заряд.

Созданный генератор является первым прибором, производящим электричество с использованием пьезоэлектрических свойств биологических материалов. Пьезоэлектрический эффект заключается в накоплении заряда в теле вирусов в ответ на механическую нагрузку.

Данная разработка может привести к созданию крошечных устройств, способных производить электроэнергию из таких обычных действий как захлопывание дверей или подъем/спуск по лестнице.

Это также указывает на более простой способ создания микроэлектронных устройств, обусловленный тем, что вирусы могут самостоятельно выстраиваиться в упорядоченный слой, обеспечивающий работу генератора. Возможность самосборки является одной из наиболее желанных целей нанотехнологий.

Первая часть видео показывает, как ученые Лаборатории Беркли используют пьезоэлектрические свойства вирусов для преобразования механической энергии, обусловленной нажатием пальцем, в электрическую. Вторая часть показывает «вирусно-электрические» генераторы в действии, сначала производимую работу при нажатии только одного генератора, затем при нажатии двух генераторов одновременно для производства большого количества тока.

«Требуются дальнейшие исследования, однако наша работа уже сейчас является очень перспективной и представляет собой первый шаг для разработки электрогенераторов и актюаторов, которые будут применяться в наноустройствах или других приложениях, основанных на вирусной электронике», - говорит Сонг-Вук Ли (Seung-Wuk Lee), научный сотрудник факультета биофизики лаборатории Беркли и помощник профессора биоинженерных наук Калифорнийского университета в Беркли.

Он провел свое исследование в команде, в которую входил Рамамурти Рамеш (Ramamoorthy Ramesh), научный сотрудник факультета наук о материалах Лаборатории Беркли и профессор наук о материалах, инженерных и физических наук Калифорнийского университета в Беркли.

Пьезоэлектрический эффект был открыт в 1880 г. и с тех пор найден в кристаллах, керамике, костной ткани, белках и ДНК. Также с тех пор началось его использование (например, зажигалки для электронных сигарет или сканирующие микроскопы не могли бы работать без него).

Однако материалы, используемые для создания пьезоэлектрических устройств, токсичны, и с ними очень сложно работать, что ограничивает их широкое применение.

Ли и его коллегам было интересно, позволяют ли изученные ими вирусы предложить более эффективный метод. Бактериофаг способен атаковать только бактерии и неопасен для человека. Как вирус он реплицирует себя миллионами копий, поэтому всегда готов к работе. Бесчисленное количество вирусов в форме палочек самопроизвольно выстраиваются в хорошо упорядоченные слои, как палочки для еды в коробке.

Это именно те свойства, которые искали ученые в наностроительных блоках. Однако ученые лаборатории Беркли сперва должны были определить, является ли вирус М13 пьезоэлектриком. Ли обратился к Рамеш, эксперту в изучении электрических свойств тонких пленок толщиной несколько нанометров. Они подводили электрическое поле к вирусам М13 и, используя специальный микроскоп, увидели, что спиральные белки, которыми были покрыты вирусы, сворачивались и разворачивались в ответ. Это было очевидным доказательством действия пьезоэлектрического эффекта.

Следующим шагом ученые смогли увеличить силу пьезоэлектрического эффекта вирусов. Для этого они с помощью генной инженерии добавили четыре отрицательно заряженных аминокислотных остатка к одному из концов спиралевидных белков, которыми покрыты вирусы. Эти остатки увеличили разницу зарядов между белками, увеличив тем самым электрический потенциал вирусов.

Исследователи в дальнейшем смогли еще больше усилить эти системы, сложив пленки, состоящие из одного слоя вирусов, друг на друга. Они обнаружили, что наибольшим пьезоэлектрическим эффектом обладает пленка толщиной около 20 "вирусных" слоев.

Единственной задачей, которую оставалось выполнить ученым, было проведение демонстрационного опыта. Исследователи лаборатории Беркли успешно выполнили ее, создав условия для спонтанной организации генетически модифицированных вирусов в мультислой общей площадью около 1 см2. Такая пленка была помещена между двумя электродами, соединенными с жидкокристаллическим дисплеем.

Когда к генератору применялась механическая нагрузка (нажатие), он производил электричество с силой тока около 6 наноампер и напряжением в 400 милливольт. Этого было достаточно для вспыхивания цифры «1» на дисплее, и составляет около четверти напряжения, необходимого для батарейки типа ААА.

«Сейчас мы работаем над вариантами улучшения прототипа», - говорит Ли. «Так как инструменты биотехнологии дают возможность массово производить генетически модифицированные вирусы, то пьезоэлектрические материалы на них могли бы предложить простой способ для создания принципиально новой микроэлектроники в будущем».

Данная работа была выполнена при поддержке Фонда прямых исследований и разработок лаборатории Беркли и Национального научного фонда США, результаты работы были опубликованы в журнале Nature Nanotechnology в мае 2012 г.

Автор: Dan Krotz, Berkeley Lab


Источник: Berkeley Lab



Комментарии
Поверенная Мария, 16 мая 2012 15:46 
хо! тоже прикольно))))можно об этом тоже написать :)))
помощник профессора - это как? Assistant Professor - это далеко не помошник профессора.
Поверенная Мария, 18 мая 2012 12:20 
Равиль Фаридович, поправьте, пожалуйста, как лучше перевести. Спасибо!
Равиль Фаридович, и с Вашими знаниями и опытом, не подскажете, как наиболее корректно и вежливо переводить на английский "член-корреспондент"
Мария, я бы перевел как ассистент, или (еще лучше) - как преподаватель. Это не "помошник профессора", это, скажем так, первая ступень профессора (как в армии - младший лейтенант, лейтенат и старший лейтенант).

Владимир Владимирович, уточните "член-корреспондент" чего?
Равиль Фаридович, академии наук "член-корреспондент" - РАН или РАЕН.
Поверенная Мария, 22 мая 2012 18:26 
Понятно, в следующий раз буду писать правильно! Еще раз спасибо :)
В МУЛЬТИТРАНе предлагаются варианты: доцент и адъюнкт-профессор
Владимир Владимирович, я думаю, что Вы, с Вашим-то опытом, и сами прекрасно знаете... Сайт РАН называет своих членов-корреспондентов "corresponding members". так что член-корра РАН, видимо, можно так называть. Но есть и аналоги, например associate member. Так что тут надо рассматривать предметно. Рекомендую посмотреть, есть ли похожий термин касательно Китайской Академии наук...
Спасибо, Равиль Фаридович!
Я с РАН близко не знаком, и нигде кроме не встречал такой уникальный класс (может это какое-то историческое наследие европейских академий); а с Китаем чего и сравнивать - мне только удивительно забавно мнение многих российских ученых о китайской науке, игнорируя какой она стала хотя бы за последние 5-10 лет...
Владимир Владимирович, я ни в коей мере не касался научных успехов CAS. Я только подчеркнул, что, возможно, в этой организации тоже есть члены-корреспонденты, и можно узнать, как они именуются на английском языке. наша беседа идет исключительно в филологическом русле :-)
Извините, Равиль Фаридович, я отвлекся на постороннюю тему (и совсем не подразумевал ничего личного)
Большое спасибо за конструктивный диалог!

P.S. Теперь уже 2 из трех моих культурно-филологических дилемм объяснены: член-корреспондент, кандидаты наук (которые вроде как доктора, но философии, а совсем и не наук...); осталось только понять про "кандидатов в мастера спорта"

P.P.S. <<Интеллектуально-дефицитные нетематические сентенции удалены. Автору очень строго указано.>>
Злобный модератор
Владимир Владимирович, хотела бы обратить Ваше внимание на то, что в Википедии (на которую и Вы иногда ссылаетесь) написано: "В США должности доцента примерно соответствует должность адъюнкт-профессора (англ. associate professor, Assoc. Prof.), во Франции — Mai^tre de confe'rences. В Швеции существует понятие Docent. Звание присваивается университетской комиссией и предполагает определённый опыт в исследовательской работе и педагогическую деятельность, на английский переводится и соответствует понятию Associate Professor."
Что, вообще говоря, согласуется с вариантами перевода, предлагаемыми на МУЛЬТИТРАНе, сайте профессиональных переводчиков ...(никаких эмоций)
Наталия Алексевна, без эмоций, - Википедию пишут люди, а они, в силу какого-то изысканного замысла Творца или еще по каким-то причинам, часто столь несовершенны.
Позвольте мне рассказать Вам, как оно есть, в ограниченных рамках своего опыта и понимания (вместо того чтобы кочевряжиться бессовестно, извините)
Assistant Professor в силу исторических корней как бы соответствует ассистенту.
Associate Professor - соответственно доценту.
Full Professor (Professor) - просто профессор.
Только в Северной Америке уже практически нигде нет пирамидальной иерархической структуры присущей старой европейской (и такой, какой она есть, российской) академической системе.
По сути работа одна и та же, разница в зарплате больше по выслуге лет, даже чем по категории. Переход из категории в категорию обычно занимает 4-7 лет в зависимости от ситуации. Огромная разница есть с "tenure" (перманентной позицией), но это уже другая история.
То есть даже и не младшие/старшие лейтенанты (относительной субординации то никакой), а как повара разной категории скорее (и как раз категория не является определяющей способности/мастерство, а просто опыт и соответствие минимальным требованиям)
И "adjunct" (по значению своему, что-то дополнительное) - это совсем другая история, это когда кто-то работает не в университете (или в другом университете) и получает возможность работать в университете со студентами (обычно без зарплаты) или читать лекции (но для чтения лекций статуса чаще всего и не нужно)
"Как то так" (цитата)

P.S. Злобному модератору, быть хорошим стараться буду, либо дюже и лучше даже - "Ибо хуже уже куда же?"
Спасибо большое за ответ (подробный и содержательный)
Замечательно
Наталия Алексеевна, тут надо еще смотреть на фактическое соответствие. В ВУЗах бСССР ассистент, как правило, должность совершенно не самостоятельная, занимается чаще всего человеком без ученой степени (чаще всего), и не дает возможности "завести" свою независимую научную группу. Поэтому, "их" "Assistant Professor" куда выше по статусу, чем наш "ассистент".

Аналогия Владимира Владимировича с поварами - прямо в точку!!!
Спасибо за разъяснения, Равиль Фаридович; на форуме ABBY Lingvo тоже была дискуссия по этому вопросу
Что же касается разрядов поваров (чем выше разряд, тем квалифицированней повар),то у них не так, как у летчиков (1 класс - выше 2 и 3)

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Страж Нанопорядка
Страж Нанопорядка

20 июня в МГУ стартовала приёмная кампания
20 июня в МГУ имени М.В. Ломоносова стартовала приёмная кампания. В новому учебном 2019/2020 году в Московский университет поступят около 10 тысяч абитуриентов, откроются 4 новых направления подготовки и свыше 10 образовательных программ.

Коллекция статей в Frontiers in Chemistry, посвященная Международному Году Периодической Таблицы Элементов
Открыт прием статей в коллекцию Frontiers in Chemistry (Open Access, IF 4.155), посвященной 150 - летию Периодической Таблицы Элементов.

Рейтинг МГУ
По сообщению пресс - службы МГУ, в международном образовательным рейтинге Quacquarelli Symonds (QS) Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова укрепил лидирующие позиции, поднявшись с 90-й строчки на 84-ю. МГУ стал единственным отечественным вузом, попавшим в топ-100 ведущих университетских центров планеты.

Новые гибридные перовскитоподобные материалы для солнечной энергетики
Тарасов Алексей Борисович, Постнаука
Как сохранить энергию солнца или ветра? Как может измениться стационарная энергетика в будущем? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) Постнаука рассказывает о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

Материалы к защитам квалификационных работ бакалавров на ФНМ МГУ в 2019 году
Коллектив авторов
4-7 июня 2019 г. (11-00) в аудитории 221 корпуса Б пройдут защиты ВКР бакалавров ФНМ МГУ.

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2019 году
Семенова Анна Александровна
21-24 мая 2019 года в лабораторном корпусе Б пройдут защиты магистерских диссертаций выпускниками ФНМ МГУ.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.