Nadzieja w piezoelektrycznych wirusach

W Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) trwają prace nad technologią, która pozwoli np. ładować baterie telefonu komórkowego dzięki temu, że nosimy go przy sobie. Uczeni zaprzęgli do współpracy wirusy zamieniające energię kinetyczną na elektryczną i już teraz stworzyli generator zasilający niewielki wyświetlacz LCD. Wystarczy, że dotkniemy elektrody pokrytej wytworzonymi w laboratorium wirusami, by te zamieniły energię nacisku na prąd.

Generator z Berkeley Lab jest pierwszym w historii urządzeniem wykorzystującym właściwości piezoelektryczne organizmów żywych. Dzięki rozwinięciu tej technologii w przyszłości wiele codziennych czynności - jak zamykanie drzwi czy wchodzenie po schodach - będzie wykorzystywanych do produkcji energii elektrycznej.

Olbrzymią zaletą wirusów, w porównaniu z innymi materiałami piezoelektrycznymi, jest fakt, że spontanicznie układają się one w cienkie warstwy.

„Jeszcze sporo badań przed nami, ale nasze praca to pierwszy krok w kierunku stworzenia osobistych generatorów energii elektrycznej“ - mówi profesor Seung-Wuk Lee, jeden z twórców nowej technologii.

Zjawisko piezoelektryczne odkryto w 1880 roku. Od tamtej pory zauważono jego występowanie w wielu materiałach. Problem jednak w tym, że najczęściej są to materiały toksyczne, z którymi trudno jest pracować. Dlatego też dotychczas urządzenia wykorzystujące to zjawisko są używane w bardzo ograniczonym zakresie.

Lee wraz z profesorami Ramamoothym Rameshem i Byung Yang Lee zastanawiali się, czy nie udałoby się wykorzystać bakteriofagu M13. To wirus atakujący wyłącznie bakterie, nieszkodliwy dla ludzi i, co istotne, bardzo podatny na manipulacje genetyczne. Ma kształt pałeczki, a grupy wirusów spontanicznie organizują się w uporządkowany film biologiczny. Wirusy szybko się namnażają, nie ma więc problemu z otrzymaniem ich odpowiedniej ilości. Uczeni z Berkeley jako pierwsi postanowili sprawdzić, czy M13 wykazuje właściwości piezoelektryczne. Okazało się, że w odpowiedzi na działanie pola elektrycznego proteiny otaczające wirusy skręciły się. Następnie naukowcy dodali dodali do jednego końca wspomnianych protein cztery ujemnie naładowane fragmenty aminokwasów. To pozwoliło na zwiększenie różnicy w ładunkach pomiędzy oboma końcami proteiny, a zatem zwiększyło odpowiedź piezoelektryczną wirusa.

Po uzyskaniu mikroorganizmu o pożądanych właściwościach uczeni rozpoczęli właściwy etap prac. Tworzyli wielowarstwowe stosy z wirusów i badali ich właściwości. Okazało się, że najlepiej sprawdza się układ stworzony z 20 warstw filmu biologicznego z M13. Warstwy zamknięto następnie pomiędzy dwoma złotymi elektrodami i podłączono do wyświetlacza ciekłokrystalicznego. Po naciśnięciu elektrody system taki generuje prąd o natężeniu 6 nanoamperów i napięciu 400 miliwoltów.

„Teraz pracujemy nad udoskonaleniem naszego systemu. Nanotechnologia pozwala na przemysłową produkcję genetycznie zmodyfikowanych wirusów, dlatego też oparte na wirusach materiały piezoelektryczne mogą w przyszłości być najprostszym sposobem zasilania mikroelektroniki“ - mówią uczeni.