Τα Electronics γίνονται Viral
Ορισμένοι ιοί προκαλούν ασθένειες, πανδημίες και θάνατο. Αλλά οι επιστήμονες έχουν βρει έναν νέο τρόπο για να αξιοποιήσουν τουλάχιστον έναν τύπο ιού. Μια ομάδα ερευνητών αξιοποίησε ιούς που μολύνουν βακτήρια για να παράγουν ενέργεια μετατρέποντας τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική. Το πακέτο τροφοδοσίας ιών δεν είναι ακόμη αρκετά ισχυρό για να λειτουργεί το κινητό σας τηλέφωνο ή το iPod. Επειδή όμως τα μικρόβια είναι αβλαβή για τον άνθρωπο, μπορεί μια μέρα να αποδειχθούν χρήσιμα για την τροφοδοσία ιατρικών αισθητήρων μέσα στο σώμα μας.
Οι συσκευές που μετατρέπουν τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια, ή το αντίστροφο, δεν είναι κάτι καινούργιο. Εκμεταλλεύονται το «πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο», το οποίο ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά το 1880 και είναι ιδιότητα ορισμένων κρυστάλλων, πρωτεϊνών, ακόμη και DNA. Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά αποτελούνται από μόρια που έχουν περισσότερα θετικά ηλεκτρικά φορτία στο ένα άκρο του μορίου παρά στο άλλο. Αυτά τα μόρια κλειδώνουν μεταξύ τους σε μια επαναλαμβανόμενη διάταξη, με τα θετικά άκρα τους να κοιτούν όλα προς τη μία κατεύθυνση και τα αρνητικά τους άκρα προς την αντίθετη κατεύθυνση. Η συμπίεση του υλικού αυξάνει αυτή την πόλωση και δημιουργεί μια ηλεκτρική τάση που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτέλεση εργασιών. Εναλλακτικά, προσθέτοντας ηλεκτρική ενέργεια, μπορείτε να αλλάξετε το σχήμα ενός πιεζοηλεκτρικού υλικού. Σήμερα, τα πιεζοηλεκτρικά χρησιμοποιούνται σε οτιδήποτε, από ηλεκτρικούς αναπτήρες έως μικροσκόπια σάρωσης σήραγγας.
Οι περισσότερες πιεζοηλεκτρικές γεννήτριες που χρησιμοποιούνται σήμερα κατασκευάζονται με κρυστάλλους του κεραμικού τιτανικού ζιρκονικού μολύβδου (PZT). Το PZT είναι τοξικό, επομένως τα τελευταία χρόνια οι ερευνητές έχουν αναπτύξει μη τοξικές εναλλακτικές λύσεις, όπως το οξείδιο του ψευδαργύρου. Αλλά μερικές από αυτές τις εναλλακτικές λύσεις είναι ακριβές και δύσκολες στην κατασκευή. Έτσι, ο Seung-Wuk Lee, ένας βιομηχανικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, και οι συνάδελφοί του εκεί και στο γειτονικό Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley επέλεξαν να δουν εάν οι ιοί θα μπορούσαν να τους βοηθήσουν.
Η ιδέα δεν είναι τόσο περίεργη όσο φαίνεται. Ενώ ήταν μεταπτυχιακός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο του Τέξας, στο Όστιν, ο Λι είχε αναπτύξει ιούς που μολύνουν βακτήρια που ονομάζονται φάγοι και συνδέονται με συγκεκριμένους τύπους ανόργανων νανοσωματιδίων ημιαγωγών. Γνώριζε επίσης ότι το DNA και ορισμένες πρωτεΐνες - τα δομικά στοιχεία των φάγων - είναι πιεζοηλεκτρικά. Έτσι, αυτός και οι συνάδελφοί του πήγαν να αναζητήσουν πιεζοηλεκτρικούς φάγους. Βρήκαν έναν που ονομάζεται βακτηριοφάγος M13, του οποίου το στενό, σε σχήμα σωλήνα εξωτερικό περίβλημα αποτελείται από περίπου 2700 αντίγραφα μιας πρωτεΐνης σε σχήμα ράβδου με θετικά φορτία στο ένα άκρο και αρνητικά φορτία στο άλλο. Οι πρωτεΐνες στον φάγο συγκεντρώνονται με τα θετικά τους άκρα να κλίνουν στον κοίλο πυρήνα, κάτι που τους επιτρέπει να συγκρατούν το αρνητικά φορτισμένο DNA που οι φάγοι εγχέουν στα βακτήρια κατά τη διάρκεια μιας μόλυνσης.
Για να ελέγξουν αν οι φάγοι μπορούσαν να παράγουν ενέργεια, ο Lee και οι συνεργάτες του κατασκεύασαν αρχικά γενετικά τις πρωτεΐνες του ιού για να φιλοξενήσουν επιπλέον αντίγραφα ενός αρνητικά φορτισμένου αμινοξέος που ονομάζεται γλουταμινικό. Πρόσθεσαν γλουταμινικά άλατα στο αρνητικά φορτισμένο άκρο της πρωτεΐνης για να αυξήσουν το αρνητικό της φορτίο και συνεπώς τις πιεζοηλεκτρικές της ιδιότητες. Για να φτιάξουν μια γεννήτρια, οι ερευνητές έβαλαν ένα φιλμ εκατομμυρίων από αυτούς τους φάγους σε ένα ηλεκτρόδιο. Οι φάγοι συναρμολογούνται φυσικά ξαπλωμένοι, ο ένας δίπλα στον άλλον, όλοι στραμμένοι προς την ίδια κατεύθυνση.
Η ομάδα του Μπέρκλεϋ τοποθέτησε πολλές από αυτές τις ιογενείς μεμβράνες το ένα πάνω στο άλλο για να ενισχύσει το πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα και στη συνέχεια κάλυπτε τη στοίβα με ένα δεύτερο ηλεκτρόδιο. Όπως αναφέρουν οι ερευνητές διαδικτυακά αυτή την εβδομάδα στο Nature Nanotechnology , πιέζοντας ένα δάχτυλο στο πάνω ηλεκτρόδιο συμπίεσε τους φάγους στο φιλμ αρκετά ώστε να δημιουργήσει ένα ηλεκτρικό ρεύμα που θα μπορούσε να ανάψει το νούμερο ένα σε μια μικρή οθόνη υγρών κρυστάλλων.
Η νέα γεννήτρια παράγει πολύ λιγότερη ισχύ από τις συμβατικές πιεζοηλεκτρικές συσκευές. Ωστόσο, ο Zhong Lin Wang, επιστήμονας υλικών στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια στην Ατλάντα, λέει:«Δείχνει τη δυνατότητα επέκτασης της νανογεννήτριας σε βιοδομές, οι οποίες μπορεί να είναι σημαντικές για ιατρικές και βιολογικές εφαρμογές», όπως εμφυτεύσιμους αισθητήρες για τη διάγνωση του σακχάρου στο αίμα. επίπεδα για διαβητικούς. Σε μια προσπάθεια να γίνει αυτό δυνατό, ο Lee και οι συνεργάτες του εργάζονται τώρα για να κατευθύνουν την εξέλιξη των ιών για να τους κάνουν καλύτερους παραγωγούς ενέργειας.
