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
