Stel je voor dat je je telefoon oplaadt terwijl je loopt, dankzij een flinterdunne generator ingebed in de zool van je schoen. Dit futuristische scenario is nu een beetje dichter bij de realiteit. Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy hebben een manier ontwikkeld om stroom op te wekken met behulp van onschadelijke virussen die mechanische energie omzetten in elektriciteit.

De wetenschappers testten hun aanpak door een generator te maken die voldoende stroom produceert om een ​​klein vloeibaar-kristalscherm te laten werken. Het werkt door met een vinger op een elektrode ter grootte van een postzegel te tikken die is bedekt met speciaal ontworpen virussen. De virussen zetten de kracht van de kraan om in een elektrische lading.

Hun generator is de eerste die elektriciteit produceert door gebruik te maken van de piëzo-elektrische eigenschappen van een biologisch materiaal. Piëzo-elektriciteit is de accumulatie van een lading in een vaste stof als reactie op mechanische stress.

De mijlpaal zou kunnen leiden tot kleine apparaten die elektrische energie oogsten uit de trillingen van alledaagse taken zoals het sluiten van een deur of traplopen.

Het wijst ook op een eenvoudigere manier om micro-elektronische apparaten te maken. Dat komt doordat de virussen zich rangschikken in een geordend filmpje waardoor de generator aan het werk kan. Zelfassemblage is een veelgevraagd doel in de kieskeurige wereld van nanotechnologie.

De wetenschappers beschrijven hun werk in een online publicatie van het tijdschrift op 13 mei Natuur Nanotechnologie .

"Er is meer onderzoek nodig, maar ons werk is een veelbelovende eerste stap in de richting van de ontwikkeling van persoonlijke stroomgeneratoren, actuatoren voor gebruik in nano-apparaten, en andere apparaten op basis van virale elektronica, " zegt Seung-Wuk Lee, een faculteitswetenschapper in de Physical Biosciences Division van Berkeley Lab en een universitair hoofddocent bio-engineering van UC Berkeley.

Hij voerde het onderzoek uit met een team dat bestaat uit Ramamoorthy Ramesh, een wetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en een professor in materiaalwetenschappen, Engineering, en natuurkunde aan UC Berkeley; en Byung Yang Lee van de Physical Biosciences Division van Berkeley Lab.

Het piëzo-elektrisch effect werd ontdekt in 1880 en is sindsdien gevonden in kristallen, keramiek, bot, eiwitten, en DNA. Het is ook in gebruik genomen. Elektrische sigarettenaanstekers en scanning probe microscopen zouden niet zonder kunnen, om een ​​paar toepassingen te noemen.

Maar de materialen die worden gebruikt om piëzo-elektrische apparaten te maken, zijn giftig en erg moeilijk om mee te werken, die het wijdverbreide gebruik van de technologie beperkt.

Lee en collega's vroegen zich af of een virus dat in laboratoria over de hele wereld werd bestudeerd, een betere manier bood. De bacteriofaag M13 valt alleen bacteriën aan en is goedaardig voor mensen. Een virus zijn, het repliceert zichzelf met miljoenen binnen enkele uren, dus er is altijd een constante aanvoer. Het is gemakkelijk genetisch te manipuleren. En grote aantallen van de staafvormige virussen oriënteren zich van nature in goed geordende films, ongeveer zoals eetstokjes zichzelf in een doos uitlijnen.

Dit zijn de eigenschappen waar wetenschappers naar zoeken in een nanobouwsteen. Maar de onderzoekers van Berkeley Lab moesten eerst bepalen of het M13-virus piëzo-elektrisch is. Lee wendde zich tot Ramesh, een expert in het bestuderen van de elektrische eigenschappen van dunne films op nanoschaal. Ze pasten een elektrisch veld toe op een film van M13-virussen en keken met een speciale microscoop wat er gebeurde. Spiraalvormige eiwitten die de virussen omhullen, draaiden en draaiden als reactie - een duidelijk teken van het piëzo-elektrische effect op het werk.

Volgende, de wetenschappers verhoogden de piëzo-elektrische kracht van het virus. Ze gebruikten genetische manipulatie om vier negatief geladen aminozuurresiduen toe te voegen aan het ene uiteinde van de spiraalvormige eiwitten die het virus omhullen. Deze residuen vergroten het ladingsverschil tussen de positieve en negatieve uiteinden van de eiwitten, die de spanning van het virus verhoogt.

De wetenschappers verbeterden het systeem verder door films die zijn samengesteld uit enkele lagen van het virus op elkaar te stapelen. Ze ontdekten dat een stapel van ongeveer 20 lagen dik het sterkste piëzo-elektrische effect vertoonde.

Het enige wat nog te doen was, was een demonstratietest, dus fabriceerden de wetenschappers een op virussen gebaseerde piëzo-elektrische energiegenerator. Ze creëerden de voorwaarden voor genetisch gemanipuleerde virussen om zich spontaan te organiseren in een meerlagige film van ongeveer een vierkante centimeter. Deze film werd vervolgens ingeklemd tussen twee vergulde elektroden, die met draden waren verbonden met een vloeibaar kristalscherm.

Wanneer er druk op de generator wordt uitgeoefend, het produceert tot zes nanoampère stroom en 400 millivolt aan potentieel. Dat is genoeg stroom om het cijfer "1" op het display te laten knipperen, en ongeveer een kwart van de spanning van een triple A-batterij.

"We werken nu aan manieren om deze proof-of-principle demonstratie te verbeteren, ", zegt Lee. "Omdat de instrumenten van de biotechnologie grootschalige productie van genetisch gemodificeerde virussen mogelijk maken, piëzo-elektrische materialen op basis van virussen kunnen in de toekomst een eenvoudige route bieden naar nieuwe micro-elektronica."