新技術利用病毒發電
/ s+ L1 K( V5 V6 j! z作者：熔桓 發稿時間：2012-05-15 09:06:29 點擊：2627
% m- c! U3 |4 Z& O M7 F' C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。
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" ? `3 y4 Y$ ]$ o2 m% y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。! U8 @1 G+ ?4 g; i8 m
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) s- Y" ` r& k4 c2 n% I/ W壓電材料M13噬菌體的結構
* @) O9 E* ]5 r p來源：伯克利實驗室
. B* L V T0 E# {( ^! g ?* e. O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。% C; ?9 U+ q: ^& H0 ]- p
& V C4 _! V1 d, ^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。
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! v$ g: o: k+ Q" B4 g5 u. i' r. J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?；顒樱珀P門或爬樓梯。+ Q1 X3 _7 B$ E$ Q0 r
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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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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）。2 B6 W% P6 S& l; g
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: Z* {0 l- W! ]" B, Y0 o( E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
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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?！崩畛行瘢⊿eung-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。. }( B* p# E6 K/ U- ?# X
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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）。
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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1 \1 H, S, j; e( y3 t6 O
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5 H: L2 T& x/ z! z% P4 W0 s2 a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。( b" A/ K) G1 u8 C m
# U% e2 v# N& n; O0 I* D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。: l- p# b" t0 n: Q/ h V
" J: P+ ~& j% z! K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。9 w' E$ P% U# j+ n
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/ U9 L; _8 p% M* j" u, u! x" D' s! m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7 s/ N" n1 m# N4 }
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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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! T C- h. I" o! q( T. _ Z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。8 C* f, k4 j3 {4 o
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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。% v- o9 C; A) ]5 T
) e; d+ x. w/ E' [& E 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。& U, R5 e6 l4 |
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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。, B+ A, g, J" V7 P- q, `' k
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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?！?br />
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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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