Imagínate cargar el teléfono mientras camina, gracias a un generador de papel delgado incrustado en la suela de su zapato. Este escenario futurista es ahora un poco más a la realidad.
Los científicos probaron su enfoque mediante la creación de un generador que produce la corriente necesaria para operar una pequeña pantalla de cristal líquido. Funciona pulsando con un dedo en un sello de correos del tamaño de electrodo revestido con virus especialmente diseñados. Los virus convertir la fuerza del grifo en una carga eléctrica.
Su generador es el primero en producir electricidad mediante el aprovechamiento de las propiedades piezoeléctricas de un material biológico. Piezoelectricidad es la acumulación de una carga en un sólido en respuesta a la tensión mecánica.
El hito podría dar lugar a pequeños dispositivos que cosechan energía eléctrica a partir de las vibraciones de las tareas cotidianas, como el cierre de una puerta o subir escaleras.
También apunta a una forma más sencilla de hacer que los dispositivos microelectrónicos. Eso es porque los virus se organizan en una película ordenada que permite que el generador funcione. El autoensamblaje es una gran meta perseguida en el mundo meticuloso de la nanotecnología.
La primera parte del vídeo muestra cómo científicos de Berkeley Lab aprovechar las propiedades piezoeléctricas de un virus para convertir la fuerza de un grifo dedo en electricidad. La segunda parte muestra el «viral» generadores eléctricos en la acción, en primer lugar presionando sólo uno de los generadores, a continuación, pulsando dos al mismo tiempo, que produce más actual.
Los científicos describen su trabajo en una publicación adelantada en Internet 13 de mayo de la revista Nature Nanotechnology.
«Se necesita más investigación, pero nuestro trabajo es un primer paso prometedor hacia el desarrollo de generadores de energía personales, actuadores para su uso en nano-dispositivos, y otros dispositivos basados en electrónica de virus», dice Seung-Wuk Lee, un científico de la facultad en Berkeley División de Física del Laboratorio de Biociencias de la Universidad de Berkeley y profesor asociado de la bioingeniería.
Él condujo la investigación con un equipo que incluye Ramamoorthy Ramesh, un científico de materiales del laboratorio de Berkeley División de Ciencias y profesor de ciencias de los materiales, la ingeniería y la física en UC Berkeley, y Yang Lee Byung de la División de Física del Laboratorio Berkeley Biociencias.
El efecto piezoeléctrico fue descubierto en 1880 y desde entonces ha sido encontrado en los cristales, cerámica, huesos, proteínas y ADN. También se ha puesto en uso. Encendedores de cigarrillos eléctricos y microscopios de sonda no podría funcionar sin él, para nombrar unas pocas aplicaciones.
Sin embargo, los materiales utilizados para fabricar dispositivos piezoeléctricos son tóxicos y muy difícil de trabajar, lo que limita el uso generalizado de la tecnología.
Lee y sus colegas se preguntaban si un virus estudiados en los laboratorios de todo el mundo que ofrece una mejor manera.
El bacteriófago M13 tiene una longitud de 880 nanómetros y un diámetro de 6,6 nanómetros. Está recubierto con aproximadamente 2700 proteínas cargadas que permiten a los científicos utilizar el virus como un nanofibras piezoeléctrico.
El bacteriófago M13 sólo ataca a las bacterias y es benigno para las personas. Al ser un virus, se reproduce por millones en cuestión de horas, así que siempre hay un suministro constante. Es fácil de manipular genéticamente. Y un gran número de los virus en forma de varilla, naturalmente, se orientan al bien ordenadas las películas, tanto la forma en que los palillos se alinean en una caja.
La parte inferior de la imagen 3-D de la microscopía de fuerza atómica muestra cómo los virus se alinean lado a lado en una película. Los mapas de imágenes principales de la película que dependen de la estructura-propiedades piezoeléctricas, con voltajes más altos de un color más claro.
Estos son los rasgos que los científicos buscan en un bloque de construcción nano. Sin embargo, los investigadores de Berkeley Lab primero tenía que determinar si el virus M13 es piezoeléctrico. Lee volvió a Ramesh, un experto en el estudio de las propiedades eléctricas de películas delgadas en la nanoescala. Se aplica un campo eléctrico a una película de la M13 virus y vio lo que pasó en un microscopio especial. Proteínas helicoidales que envuelven los virus se retorcía y giraba en respuesta, una señal segura del efecto piezoeléctrico en el trabajo.
Luego, los científicos una mayor fuerza piezoeléctricos del virus. Se utiliza ingeniería genética para añadir cuatro cargados negativamente residuos de aminoácidos a un extremo de las proteínas helicoidales que recubrir el virus. Estos residuos de aumentar la diferencia de carga entre los extremos de las proteínas positivas y negativas, lo que aumenta la tensión del virus.
Los científicos mejorado aún más el sistema por el apilamiento de películas compuestas de capas individuales del virus en uno encima del otro. Se encontró que una pila de aproximadamente 20 capas de espesor mostraron el efecto más fuerte piezoeléctrico.
Lo único que queda que hacer era una prueba de demostración, así que los científicos fabricaron un generador de virus basada en energía piezoeléctrica. Ellos crearon las condiciones para los virus modificados genéticamente para organizar de forma espontánea en una película de capas múltiples que mide aproximadamente un centímetro cuadrado. Esta película se intercaló entonces entre dos electrodos revestidos de oro, que estaban conectados por cables a una pantalla de cristal líquido.
Cuando se aplica presión en el generador, que produce un máximo de seis nanoamperios de corriente y 400 milivoltios de potencial. Eso es suficiente corriente a parpadear el número «1» en la pantalla, y aproximadamente una cuarta parte de la tensión de una triple A de la batería.
«Ahora estamos trabajando en maneras de mejorar en esta demostración de la prueba de principio», dice Lee. «Debido a que las herramientas de la biotecnología permitirá a gran escala la producción de virus modificados genéticamente, los materiales piezoeléctricos sobre la base de los virus podría ofrecer una ruta sencilla a la microelectrónica nuevos en el futuro.»
