在寻找环保能源的过程中,科学家们已经学会了如何利用越来越小的生物体来获取能量:先是玉米,然后是藻类,现在是细菌。通过研究如何利用M13噬菌体(一种感染细菌的病毒)发电,加州大学伯克利分校的工程师们已经将研究对象变得更小。虽然这种病毒驱动的设备产生的能量微乎其微,但它可能有一天会为人们在行走时就能为手机充电铺平道路。
该设备依赖于一种称为压电性的特性,这种特性可以将机械能(例如,手指的敲击)转化为电能。大多数手机麦克风都是压电式的,可以将声波的能量转化为电输出,然后传输并在接收者的手机中转换回声波。伯克利生物工程师李承旭(Seung-Wuk Lee)表示,这些压电器件的问题在于它们是由铅和镉等重金属制成的。许多生物分子,如蛋白质和核酸,也具有压电性——它们在被压缩时会产生电力——但它们不像传统器件那样具有毒性。
李和他的同事们发现,铅笔状的M13噬菌体符合他们所有的要求。由于这种病毒只感染细菌,因此对人类是安全的。而且它价格低廉,易于生产:科学家们可以从一瓶受感染的细菌中获得数万亿个病毒。病毒的形状也很重要,因为M13可以很容易地自组装成薄片。为了提高M13的发电能力,李的研究团队通过添加四个带负电的谷氨酸分子,调整了病毒外蛋白衣壳的氨基酸含量。研究人员将病毒薄片堆叠在一起,以放大压电效应。
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当科学家们将一平方厘米的病毒薄膜连接到一对金电极上,并用力按压其中一个电极时,该薄膜产生的电力足以点亮一个液晶显示屏,显示数字1。李说,虽然它只产生了少量电力——400毫伏,约相当于一节AAA电池能量的四分之一——但这项研究表明,生物材料压电技术是可行的。
佐治亚理工学院的工程师王中林(Zhong Lin Wang,音译)说:“这将给该领域带来很多兴奋。”他没有参与这项研究。“通过利用这些生物材料的特性,我们可以在未来找到独特的应用,”例如,由心脏跳动提供动力的心脏起搏器。