新技術利用病毒發電" w4 H+ L; F% E) ^- A
作者：熔桓 發稿時間：2012-05-15 09:06:29 點擊：26275 L9 V+ q, `! |! w5 n9 y! |9 V" g I; T
把電場施加到M13病毒薄膜上，螺旋蛋白質涂在病毒表面，會扭曲和轉向，這就說明壓電效應在起作用。" g$ ]- `! r7 o% G% }$ V
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" r Z+ @3 E: F% f% C# P# |& v v$ T想象一下，一邊走路一邊給您的手機充電，這是因為有了紙薄的發電器，而且可以嵌入鞋內鞋底中。這一未來化的情景現在正在進一步走近現實。美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的科學家們已開發出一種技術，發電時，可以利用無害的病毒，把機械能轉換成電能。
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壓電材料M13噬菌體的結構
/ w) Q# G: }) v6 J來源：伯克利實驗室
! ~/ }, m0 v5 u6 J) ]6 s科學家測試了他們的技術，他們創造了一個發電機，可以產生足夠的電流，操作小型液晶顯示器。這個發電機運行時，需要用手指拍打一個郵票大小的電極，電極上涂有特別設計的病毒。這些病毒可以把拍打的力量轉換成電荷。
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他們的發電機第一次在發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，以響應機械應力。, D. s: N+ y7 c. Q
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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，這些振動都屬于日常活動，如關門或爬樓梯。
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$ U4 M! W: @3 W這也指出了一條簡單的途徑，可以制作微電子器件。這是因為這些病毒會自發排列成有序的薄膜，使發電機可以運行。自組裝是很受追捧的目標，因為這是在挑剔的納米技術世界。
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. M+ }: Y9 @% o3 B: V1 ]科學家們介紹了他們的研究，5月13日提前在網上發表，就在《自然•納米技術》雜志上，題為《基于病毒的壓電能量生成》（Virus-based piezoelectric energy generation）。
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單層噬菌體薄膜的壓電屬性。來源：勞倫斯伯克利國家實驗室: ~: E( `* N1 Q; e
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“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，可開發個人發電機、驅動器，用于納米器件以及其他設備，采用的是病毒電子裝置。”李承旭（Seung-Wuk Lee）說，他是伯克利實驗室院物理生物科學部的科學家，也是加州大學伯克利分校（UC Berkeley）生物工程學副教授。* M* f% w7 P2 {0 O2 `8 a2 q. A
0 ]$ S; |# k8 Z: n2 K1 u' `0 I他進行這項研究的小組中，有拉馬姆提•拉梅什（Ramamoorthy Ramesh），他是伯克利實驗室材料科學部的科學家，也是加州大學伯克利分校材料科學、工程教授和物理學教授；還有伯克利實驗室物理生物科學部的李秉楊（Byung Yang Lee）。7 L: w$ ~" u i' m/ O
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多層4E噬菌體薄膜的壓電屬性。來源：勞倫斯伯克利國家實驗室/ ?3 h u; T4 x, y: H
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壓電效應是1880年發現的，至今已見于水晶，陶瓷，骨骼，蛋白質和DNA。這一效應也已投入使用。電動打火機和掃描探針顯微鏡（scanning probe microscopes）要運行就不能沒有它，這只是舉幾例應用。
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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的廣泛使用。5 x( |0 M M& z6 M6 Z7 A! V& q
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李承旭和他的同事們想知道，病毒研究實驗室在全世界都有，是否可提供一種更好的辦法。 M13噬菌體（M13 bacteriophage）只攻擊細菌，對人體無害。因為是病毒，所以，它在幾個小時內就可以自我復制出數以百萬計，所以，總是有穩定的供應。很容易進行基因工程設計。數量龐大的桿狀病毒會自然地進行自我排列，形成整齊有序的薄膜，很像筷子整齊地對齊，碼放在盒子里。
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噬菌體壓電能量發生器的特征，來源：勞倫斯伯克利國家實驗室. w: y. j6 B* e. z; _ R
% d) M: c v2 g Y. s這些特點就是科學家尋找的，見于納米基礎材料中。但是，伯克利實驗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，是在納米尺度進行。他們采用電場，施加到M13病毒薄膜上，觀察發生什么，這要使用一種特殊的顯微鏡。螺旋蛋白質涂在病毒表面，會扭曲和轉向，以進行響應，這就是一個確切標志，說明壓電效應在起作用。
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2 A8 x& y1 ^$ L# R' U接著，科學家們增加了病毒的壓電強度。他們利用基因工程，添加4個帶負電荷的氨基酸殘基（amino acid residues），就添加在螺旋蛋白質的一端，這種蛋白質涂在病毒表面。這些殘基會增加蛋白質正負兩端之間的電荷差異，提高病毒的電壓。4 P6 R) t; J; c: w$ M% w2 V3 r; o+ z
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科學家們進一步增強了這種系統，他們堆疊薄膜，這些薄膜包含單層病毒，彼此堆疊起來。他們發現，堆疊約20層，會產生最強的壓電效應。
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! X2 D9 d- E3 w+ O" l& t8 n剩下唯一需要做的，就是示范試驗，所以，科學家制作了基于病毒的壓電能量發生器。他們創造條件，用遺傳工程設計病毒，使它們可自發組織，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。
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壓力施加到發電機上時，會產生高達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字“1”，電壓大約是一節三A電池的四分之一。3 M" j: u+ H% o+ J7 Q
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“我們現在正在研究一些方法，以改善這種原理循證示范，”李承旭說。“因為有這種生物技術工具，就可以大規模生產轉基因病毒，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。”; }! C; f- Z* {* K8 J) F
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本文為麻省理工《科技創業》原創文章
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發表于 2012-6-20 22:20:46
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