Новости перспективных технологий

Пьезоэлектровирус как генератор тока для микроэлектроники

Изображения с сайта compulenta.ru

Представьте себе зарядное устройство для телефона, вмонтированное в ваш ботинок. Вы идёте, а телефон заряжается. Этот футуристический сценарий стал немного ближе к реальности: специалисты из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (США) разработали способ конвертации механической энергии в электрическую, используя безопасные вирусы.

Функционирующий прототип устройства на вирусном генераторе электричества (здесь и ниже иллюстрации Lawrence Berkeley National Laboratory).

Учёные доказали работоспособность своего инновационного подхода к получению электрической энергии, сконструировав модельный генератор, который производит достаточно тока для обеспечения работы маленького жидкокристаллического дисплея: достаточно лишь постучать пальцем по электроду размером с почтовую марку, покрытому специально созданными вирусами. Вы правы: вирусы конвертируют механическую энергию постукивания в электрический заряд.

Это первый в своём роде пример использования пьезоэлектрических свойств биологического материала; одновременно разработка указывает на более простой путь создания микроэлектронных приборов. Вирусы сами организуются в упорядоченную плёнку, что и делает возможной работу необычного генератора. Способность к самоорганизации является наиболее популярной целью в непростом мире нанотехнологий. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Nanotechnology — в статье, находящейся в открытом доступе.

Пьезоэлектрический эффект, открытый в 1880 году, обнаружен в свойствах некоторых кристаллов, керамики, протеинов и молекул ДНК. Пьезоэлектрические материалы уже нашли своё применение, например, в качестве материала «иглы» сканирующего микроскопа, а также в потребительских товарах (электрических зажигалках). К сожалению, материалы, используемые в создании пьезоэлектрических устройств, токсичны и с ними трудно работать, что сильно ограничивает широту использования этой технологии.

Палочкообразный бактериофаг М13: длина — 880 нм, диаметр — 6,6 нм, покрыт ~2 700 заряженными протеинами. Всё это позволило использовать этот вирус в качестве пьезоэлектрического нановолокна.

Изучаемый в лабораториях всего мира бактериофаг М13 атакует только бактерии и безопасен для людей. Будучи вирусом, М13 реплицирует себя, создавая за час миллионы своих копий, что гарантирует отсутствие проблем с достаточным снабжением. Кроме того, вирус легко поддаётся генетической модификации, и большое количество палочковидных вирусов естественным образом ориентирует себя с образованием хорошо упорядоченных плёнок, подобно тому как китайские палочки сами по себе выравниваются внутри коробки. Все эти особенности М13 давно были известны и широко использовались, но лишь в лаборатории Лоуренса впервые было выяснено, что М13 обладает пьезоэлектрическими свойствами. Для этого учёные приложили электрическое поле к образованной вирусом плёнке и наблюдали в специальный микроскоп, как спиралевидные белки, покрывающие вирус, скручивались в ответ на оказываемое воздействие.

Для дальнейшего усиления эффекта исследователи обратились к генетическому инжинирингу, чтобы добавить четыре отрицательно заряженных аминокислотных остатка к одному из концов спиральных протеинов, покрывающих вирус. Эти добавки усилили разницу заряда между положительным и отрицательным концами протеина, и вольтаж вируса увеличился. Затем, для пущей эффективности, учёные расположили несколько таких монослоёв вируса один над другим: оказалось, что стопка из 20 слоёв демонстрирует самый существенный пьезоэффект.

Дальнейшее — дело техники: авторы поместили подготовленную стопочку из 20 слоёв генетически модифицированного вируса между золотыми электродами, соединёнными проводами с жидкокристаллическим мониторчиком. Получилось любопытное: при надавливании на импровизированный генератор происходит выработка тока силой до 6 нА с разностью потенциалов 400 мВ. Этого (приблизительно четверть вольтажа пальчиковой ААА-батарейки) достаточно, чтобы на мониторе радостно загорелась цифра «1».

Информация с сайта compulenta.ru с ссылкой на материалы Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли.

Автор оригинального текста: Роман ИваЛоуренса в Беркли.

Автор оригинального текста: Роман Иванов.