Η πρώτη γεννήτρια που αποτελείται από ιούς

Η γεννήτρια ενεργοποιεί μια οθόνη υγρών κρυστάλλων όταν την πιέσει κανείς με το δάχτυλο (Πηγή: Berkeley Lab) 

Φανταστείτε να μπορούσατε να φορτίζετε το κινητό σας ενώ περπατάτε, χάρη σε μια μικρή γεννήτρια, λεπτή σαν φύλλο χαρτιού, τοποθετημένη μέσα στη σόλα του παπουτσιού σας. Η μέρα αυτή δείχνει να έρχεται πιο κοντά μετά την παρουσίαση μιας συσκευής που χρησιμοποιεί ιούς για να μετατρέψει τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική.
Στη σημερινή της μορφή, η γεννήτρια ιών προσφέρει τάση μέχρι 400 millivolt, περίπου τέσσερις φορές λιγότερο από μια κοινή μπαταρία ΑΑΑ. Θα μπορούσε όμως να βελτιωθεί ώστε να χρησιμοποιηθεί σε φορτιστές, ή ακόμα και σε εμφυτεύματα που χρειάζονται ηλεκτρική ενέργεια για να λειτουργήσουν μέσα στο σώμα.

Η εφεύρεση, που παρουσιάζεται αυτή την εβδομάδα στην επιθεώρηση Nature Nanotechnology, αξιοποιεί το λεγόμενο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, κατά το οποίο η άσκηση πίεσης οδηγεί στην εμφάνιση ηλεκτρικής τάσης.

Το φαινόμενο αυτό παρατηρείται σε διάφορα υλικά, από κεραμικούς κρυστάλλους μέχρι βιολογικά μόρια όπως το DNA και οι πρωτεΐνες. Τα μόρια αυτά φέρουν περισσότερα θετικά φορτία στη μία τους άκρη και λιγότερα στην άλλη, και έχουν την τάση να ευθυγραμμίζονται αυθόρμητα μεταξύ τους, έτσι ώστε τα θετικά φορτισμένα άκρα τους να στρέφονται όλα προς την ίδια κατεύθυνση. Και όταν τα υλικά αυτά δεχθούν πίεση, η παραμόρφωσή τους αυξάνει την ηλεκτρική πόλωση και δημιουργεί τάση.

Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο αξιοποιείται ήδη σε πληθώρα εφαρμογών, από τους ηλεκτρικούς αναπτήρες μέχρι το μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας. Το πρόβλημα όμως είναι ότι οι σημερινές πιεζοηλεκτρικές γεννήτριες κατασκευάζονται συνήθως από τοξικά υλικά, γεγονός που περιορίζει τις χρήσεις τους.

Αυτό θα μπορούσε να αλλάξει στο μέλλον με τη χρήση βιολογικών υλικών όπως οι ιοί. Οι ερευνητές του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Berkeley, το οποίο υπάγεται στο αμερικανικό υπουργείο Ενέργειας, πειραματίστηκαν με έναν βακτηριοφάγο, δηλαδή έναν ιό που προσβάλλει βακτήρια, με την ονομασία M13.

Ο βακτηριοφάγος, εντελώς αβλαβής για τον άνθρωπο, έχει σχήμα σωλήνα του οποίου το εξωτερικό περίβλημα αποτελείται από 2.700 αντίγραφα μιας πρωτεΐνης που παρουσιάζει πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες (δεξιά στην ένθετη). Το ένα άκρο της πρωτεΐνης είναι αρνητικά φορτισμένο, και στρέφεται προς την επιφάνεια του σωλήνα, ενώ το άλλο φέρει θετικό φορτίο και στρέφεται προς το εσωτερικό του σωλήνα (όπου συγκρατεί το αρνητικά φορτισμένο DNA του ιού).

Σε πρώτη φάση, οι ερευνητές τροποποίησαν γενετικά τον ιό και ρύθμισαν τη δομή της πρωτεΐνης ώστε να γίνει ακόμα πιο πολωμένη. Στη συνέχεια, εκατομμύρια αντίγραφα του ιού τοποθετήθηκαν πάνω σε μια λεπτή μεμβράνη, πάνω στην οποία ευθυγραμμίστηκαν αυθόρμητα μεταξύ τους.

Πολλές τέτοιες μεμβράνες στοιβάχθηκαν η μία πάνω στην άλλη προκειμένου να αυξηθεί η ηλεκτρική τάση, και η στοίβα αυτή τοποθετήθηκε ανάμεσα σε δύο ηλεκτρόδια από χρυσό.

Όταν κανείς πιέσει τη συσκευή με το δάχτυλο, οι ιοί παράγουν αρκετή ηλεκτρική ενέργεια ώστε να εμφανιστεί ο αριθμός «1» πάνω σε μια οθόνη υγρών κρυστάλλων.

Ο Δρ Σουν-γουκ Λι, επικεφαλής της μελέτης, ελπίζει τώρα ότι η γεννήτρια είναι δυνατό να βελτιωθεί ώστε να αξιοποιηθεί μελλοντικά σε εμπορική κλίμακα: «Δεδομένου ότι τα εργαλεία της βιοτεχνολογίας επιτρέπουν την παραγωγή γενετικά τροποποιημένων ιών σε μεγάλη κλίμακα, τα πιεζοηλεκτρικά υλικά που βασίζονται σε ιούς θα μπορούσαν να προσφέρουν μια απλούστερη οδό για την ανάπτυξη καινοτόμων μικροηλεκτρονικών στο μέλλον.

Πηγή: Newsroom ΔΟΛ
 http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2012.69.html