新技术利用病毒发电

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作者：熔桓　发稿时间：2012-05-15 10:06:29　
把电场施加到M13病毒薄膜上，螺旋蛋白质涂在病毒表面，会扭曲和转向，这就说明压电效应在起作用。

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。”