新技术利用病毒发电
, `: ?& S2 v- ?0 E% i2 ^+ d' P. _作者：熔桓 发稿时间：2012-05-15 09:06:29 点击：2627, A. K* M: Y7 o' v1 n `# q
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。. H* P v+ \ V4 d6 n/ T( b ^
) t9 t1 t9 ~3 b
6 h6 t. t" M/ {9 }% v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。) p. C" Z! X. r$ ] {+ i
5 c# X! D2 Y# t3 W) x$ L
" `! E8 W; A; `4 R. E/ k7 D5 u2 w) d* a
压电材料M13噬菌体的结构
' O7 S% O4 d* s0 ]; n来源：伯克利实验室) ], U0 r3 N. }
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。
; C/ L- @8 a9 b+ D
; l- _3 S. W: V' D8 g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。7 W; |% a8 n, ]: T6 c* |
9 _4 \9 ~1 a1 X. E" J! Z! _% S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。7 N) x) u I4 A3 |. M. N6 j6 X" J
0 C& `$ c1 ` `- f. `, r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。# B' Y+ y' w! Q; t, D* B5 \6 _5 }/ [
0 W/ R: o9 B# N$ q. E9 }$ t4 H: C/ @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）。8 j- y3 ^5 C* }6 L b0 R: Y2 ?+ t! }! }
% l ~0 b% B4 `" B
% n+ @" h% r" T8 X7 I! t3 |* W2 f) U q
单层噬菌体薄膜的压电属性。来源：劳伦斯伯克利国家实验室
/ w1 D7 x! `. H0 j9 `" `/ ^1 A, g# p6 |4 j _
9 r. G; x/ R" \2 N
1 h# A( H0 j: x+ Y4 K! x“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。
/ P& G6 F) U: `0 G% W/ M/ \
5 f, K3 H: g N8 L7 w* G$ | k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）。% I& ^3 u' z7 Z6 K: l0 D
3 e5 R9 x0 d( J5 _; J) ~6 |. C% k7 V) u- T; H! k, J8 D
4 [6 X/ t* B; Z
多层4E噬菌体薄膜的压电属性。来源：劳伦斯伯克利国家实验室5 y- B+ G/ q7 a" x6 ^3 L3 R+ Q- Z# O
* Z$ V8 c0 x# f; ^! x
1 T: B1 i" X& V5 S4 G; |5 `
/ I& C; w7 G8 n1 W+ E# P# P
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。
) H4 \& U: r/ x; K6 H6 q# f0 g8 W+ D6 t( t& ]" z* D$ e( c
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。
6 B/ h7 H$ P$ s( v8 Y4 g( \. o0 c( {8 x! ~- s4 `4 T
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。
! I2 t3 V' s& D$ d, [2 a
8 k* B0 \4 ?$ n3 R ]: Q* h# `% o/ r: R3 d5 G/ ]4 y! v
" l4 H( Z3 o5 h6 N* w, m8 Q8 m. e噬菌体压电能量发生器的特征，来源：劳伦斯伯克利国家实验室$ ]% n1 ~+ |4 l' L/ ^6 R2 ]( |/ h
8 y! B, c7 B5 y7 a
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。! D1 Z. j$ K, T
* K% i; E4 f4 J) K5 l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。0 ~7 c! H, K5 `7 Y; Z
/ p7 s$ Y1 @( {4 U& o% ?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。2 b7 k+ L+ Z$ O, f. n
& N- d) K7 g7 r9 t$ H
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。
- r1 ~- h* _( u8 i6 B6 P1 t, S* Y' T7 A7 j5 X
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。# ?8 o7 m" y4 B: i0 }. E
4 }) y7 ^: p( X$ s, X1 L
“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。”: m. w/ F3 O$ N1 w. N D
" _! X- w6 O" P: T7 {5 n本文为麻省理工《科技创业》原创文章
; J e6 d8 G7 q) b Z t6 x8 i |
发表于 2012-6-20 22:20:46
