美國能源局發(fā)明用病毒發(fā)電的技術(shù)（圖）

北極星火力發(fā)電網(wǎng)訊:想象一下，一邊走路一邊給您的手機(jī)充電，這是因?yàn)橛辛思埍〉陌l(fā)電器，而且可以嵌入鞋內(nèi)鞋底中。這一未來化的情景現(xiàn)在正在進(jìn)一步走近現(xiàn)實(shí)。美國能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的科學(xué)家們已開發(fā)出一種技術(shù)，發(fā)電時，可以利用無害的病毒，把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。

科學(xué)家測試了他們的技術(shù)，他們創(chuàng)造了一個發(fā)電機(jī)，可以產(chǎn)生足夠的電流，操作小型液晶顯示器。這個發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，需要用手指拍打一個郵票大小的電極，電極上涂有特別設(shè)計(jì)的病毒。這些病毒可以把拍打的力量轉(zhuǎn)換成電荷。

他們的發(fā)電機(jī)第一次在發(fā)電時采用了生物材料的壓電性能。壓電就是在固體中積累電荷，以響應(yīng)機(jī)械應(yīng)力。

這一里程碑式的成就會帶來一些微型裝置，可利用振動電能，這些振動都屬于日�；顒�，如關(guān)門或爬樓梯。

這也指出了一條簡單的途徑，可以制作微電子器件。這是因?yàn)檫@些病毒會自發(fā)排列成有序的薄膜，使發(fā)電機(jī)可以運(yùn)行。自組裝是很受追捧的目標(biāo)，因?yàn)檫@是在挑剔的納米技術(shù)世界。

科學(xué)家們介紹了他們的研究，5月13日提前在網(wǎng)上發(fā)表，就在《自然•納米技術(shù)》雜志上，題為《基于病毒的壓電能量生成》(Virus-based piezoelectric energy generation)。

“還需要更多的研究，但是，我們的研究很有前途，這是邁出了第一步，可開發(fā)個人發(fā)電機(jī)、驅(qū)動器，用于納米器件以及其他設(shè)備，采用的是病毒電子裝置。”李承旭(Seung-Wuk Lee)說，他是伯克利實(shí)驗(yàn)室院物理生物科學(xué)部的科學(xué)家，也是加州大學(xué)伯克利分校(UC Berkeley)生物工程學(xué)副教授。

他進(jìn)行這項(xiàng)研究的小組中，有拉馬姆提•拉梅什(Ramamoorthy Ramesh)，他是伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部的科學(xué)家，也是加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)、工程教授和物理學(xué)教授;還有伯克利實(shí)驗(yàn)室物理生物科學(xué)部的李秉楊(Byung Yang Lee)。

壓電效應(yīng)是1880年發(fā)現(xiàn)的，至今已見于水晶，陶瓷，骨骼，蛋白質(zhì)和DNA。這一效應(yīng)也已投入使用。電動打火機(jī)和掃描探針顯微鏡(scanning probe microscopes)要運(yùn)行就不能沒有它，這只是舉幾例應(yīng)用。

但是，有些材料可用于制備壓電器件，只是有毒，而且非常難以操作，這就限制了這種技術(shù)的廣泛使用。

李承旭和他的同事們想知道，病毒研究實(shí)驗(yàn)室在全世界都有，是否可提供一種更好的辦法。 M13噬菌體(M13 bacteriophage)只攻擊細(xì)菌，對人體無害。因?yàn)槭遣《荆�所以，它在幾個小時內(nèi)就可以自我復(fù)制出數(shù)以百萬計(jì)，所以，總是有穩(wěn)定的供應(yīng)。很容易進(jìn)行基因工程設(shè)計(jì)。數(shù)量龐大的桿狀病毒會自然地進(jìn)行自我排列，形成整齊有序的薄膜，很像筷子整齊地對齊，碼放在盒子里。

這些特點(diǎn)就是科學(xué)家尋找的，見于納米基礎(chǔ)材料中。但是，伯克利實(shí)驗(yàn)室的研究人員第一次必須確定，M13病毒是否具有壓電性。李承旭去找拉梅什，這位專家研究電性薄膜，是在納米尺度進(jìn)行。他們采用電場，施加到M13病毒薄膜上，觀察發(fā)生什么，這要使用一種特殊的顯微鏡。螺旋蛋白質(zhì)涂在病毒表面，會扭曲和轉(zhuǎn)向，以進(jìn)行響應(yīng)，這就是一個確切標(biāo)志，說明壓電效應(yīng)在起作用。

接著，科學(xué)家們增加了病毒的壓電強(qiáng)度。他們利用基因工程，添加4個帶負(fù)電荷的氨基酸殘基(amino acid residues)，就添加在螺旋蛋白質(zhì)的一端，這種蛋白質(zhì)涂在病毒表面。這些殘基會增加蛋白質(zhì)正負(fù)兩端之間的電荷差異，提高病毒的電壓。

科學(xué)家們進(jìn)一步增強(qiáng)了這種系統(tǒng)，他們堆疊薄膜，這些薄膜包含單層病毒，彼此堆疊起來。他們發(fā)現(xiàn)，堆疊約20層，會產(chǎn)生最強(qiáng)的壓電效應(yīng)。

剩下唯一需要做的，就是示范試驗(yàn)，所以，科學(xué)家制作了基于病毒的壓電能量發(fā)生器。他們創(chuàng)造條件，用遺傳工程設(shè)計(jì)病毒，使它們可自發(fā)組織，形成多層膜，尺寸約一平方厘米。這種薄膜隨后被夾在兩個鍍金電極之間，用電線連接到液晶顯示器。

壓力施加到發(fā)電機(jī)上時，會產(chǎn)生高達(dá)6納安的電流和400毫伏的電勢。這電流就足夠多，可以在屏幕上閃爍數(shù)字“1”，電壓大約是一節(jié)三A電池的四分之一。

“我們現(xiàn)在正在研究一些方法，以改善這種原理循證示范，”李承旭說。“因?yàn)橛羞@種生物技術(shù)工具，就可以大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因病毒，這些壓電材料采用病毒，可提供一條簡單的途徑，制備未來的新型微電子裝置。”