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想象一下,一边走路一边给您的手机充电,这是因为有了纸薄的发电器,而且可以嵌入鞋内鞋底中。这一未来化的情景现在正在进一步走近现实。美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的科学家们已开发出一种技术,发电时,可以利用无害的病毒,把机械能转换成电能。
压电材料M13噬菌体的结构来源:伯克利实验室
科学家测试了他们的技术,他们创造了一个发电机,可以产生足够的电流,操作小型液晶显示器。这个发电机运行时,需要用手指拍打一个邮票大小的电极,电极上涂有特别设计的病毒。这些病毒可以把拍打的力量转换成电荷。
他们的发电机第一次在发电时采用了生物材料的压电性能。压电就是在固体中积累电荷,以响应机械应力。
这一里程碑式的成就会带来一些微型装置,可利用振动电能,这些振动都属于日常活动,如关门或爬楼梯。
这也指出了一条简单的途径,可以制作微电子器件。这是因为这些病毒会自发排列成有序的薄膜,使发电机可以运行。自组装是很受追捧的目标,因为这是在挑剔的纳米技术世界。
科学家们介绍了他们的研究,5月13日提前在网上发表,就在《自然•纳米技术》杂志上,题为《基于病毒的压电能量生成》(Virus-based piezoelectric energy generation)。
“还需要更多的研究,但是,我们的研究很有前途,这是迈出了第一步,可开发个人发电机、驱动器,用于纳米器件以及其他设备,采用的是病毒电子装置。”李承旭(Seung-Wuk Lee)说,他是伯克利实验室院物理生物科学部的科学家,也是加州大学伯克利分校(UC Berkeley)生物工程学副教授。
他进行这项研究的小组中,有拉马姆提•拉梅什(Ramamoorthy Ramesh),他是伯克利实验室材料科学部的科学家,也是加州大学伯克利分校材料科学、工程教授和物理学教授;还有伯克利实验室物理生物科学部的李秉杨(Byung Yang Lee)。
压电效应是1880年发现的,至今已见于水晶,陶瓷,骨骼,蛋白质和DNA。这一效应也已投入使用。电动打火机和扫描探针显微镜(scanning probe microscopes)要运行就不能没有它,这只是举几例应用。
但是,有些材料可用于制备压电器件,只是有毒,而且非常难以操作,这就限制了这种技术的广泛使用。
李承旭和他的同事们想知道,病毒研究实验室在全世界都有,是否可提供一种更好的办法。 M13噬菌体(M13 bacteriophage)只攻击细菌,对人体无害。因为是病毒,所以,它在几个小时内就可以自我复制出数以百万计,所以,总是有稳定的供应。很容易进行基因工程设计。数量庞大的杆状病毒会自然地进行自我排列,形成整齐有序的薄膜,很像筷子整齐地对齐,码放在盒子里。
这些特点就是科学家寻找的,见于纳米基础材料中。但是,伯克利实验室的研究人员第一次必须确定,M13病毒是否具有压电性。李承旭去找拉梅什,这位专家研究电性薄膜,是在纳米尺度进行。他们采用电场,施加到M13病毒薄膜上,观察发生什么,这要使用一种特殊的显微镜。螺旋蛋白质涂在病毒表面,会扭曲和转向,以进行响应,这就是一个确切标志,说明压电效应在起作用。
接着,科学家们增加了病毒的压电强度。他们利用基因工程,添加4个带负电荷的氨基酸残基(amino acid residues),就添加在螺旋蛋白质的一端,这种蛋白质涂在病毒表面。这些残基会增加蛋白质正负两端之间的电荷差异,提高病毒的电压。
科学家们进一步增强了这种系统,他们堆叠薄膜,这些薄膜包含单层病毒,彼此堆叠起来。他们发现,堆叠约20层,会产生最强的压电效应。
剩下唯一需要做的,就是示范试验,所以,科学家制作了基于病毒的压电能量发生器。他们创造条件,用遗传工程设计病毒,使它们可自发组织,形成多层膜,尺寸约一平方厘米。这种薄膜随后被夹在两个镀金电极之间,用电线连接到液晶显示器。
压力施加到发电机上时,会产生高达6纳安的电流和400毫伏的电势。这电流就足够多,可以在屏幕上闪烁数字“1”,电压大约是一节三A电池的四分之一。
“我们现在正在研究一些方法,以改善这种原理循证示范,”李承旭说。“因为有这种生物技术工具,就可以大规模生产转基因病毒,这些压电材料采用病毒,可提供一条简单的途径,制备未来的新型微电子装置。”
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