Immagina di caricare il tuo telefono mentre cammini, grazie a un generatore sottilissimo incorporato nella suola della scarpa. Questo scenario futuristico è ora un po' più vicino alla realtà. Gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno sviluppato un modo per generare energia utilizzando virus innocui che convertono l'energia meccanica in elettricità.

Gli scienziati hanno testato il loro approccio creando un generatore che produce corrente sufficiente per far funzionare un piccolo display a cristalli liquidi. Funziona toccando un dito su un elettrodo delle dimensioni di un francobollo rivestito con virus appositamente progettati. I virus convertono la forza del rubinetto in una carica elettrica.

Il loro generatore è il primo a produrre elettricità sfruttando le proprietà piezoelettriche di un materiale biologico. La piezoelettricità è l'accumulo di una carica in un solido in risposta a uno stress meccanico.

La pietra miliare potrebbe portare a piccoli dispositivi che raccolgono energia elettrica dalle vibrazioni delle attività quotidiane come chiudere una porta o salire le scale.

Indica anche un modo più semplice per realizzare dispositivi microelettronici. Questo perché i virus si dispongono in un film ordinato che consente al generatore di funzionare. L'autoassemblaggio è un obiettivo molto ambito nel delicato mondo delle nanotecnologie.

Gli scienziati descrivono il loro lavoro in una pubblicazione online anticipata della rivista del 13 maggio Nanotecnologia della natura .

"Servono ulteriori ricerche, ma il nostro lavoro è un promettente primo passo verso lo sviluppo di generatori di energia personali, attuatori per l'uso in nano-dispositivi, e altri dispositivi basati sull'elettronica virale, "dice Seung-Wuk Lee, uno scienziato della facoltà nella divisione di bioscienze fisiche del Berkeley Lab e un professore associato di bioingegneria alla UC Berkeley.

Ha condotto la ricerca con un team che include Ramamoorthy Ramesh, uno scienziato nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e un professore di scienze dei materiali, ingegneria, e fisica all'Università di Berkeley; e Byung Yang Lee della divisione di bioscienze fisiche del Berkeley Lab.

L'effetto piezoelettrico è stato scoperto nel 1880 e da allora è stato trovato nei cristalli, ceramica, osso, proteine, e DNA. È stato anche utilizzato. Gli accendini elettrici e i microscopi con sonda a scansione non potrebbero funzionare senza di esso, per citare alcune applicazioni.

Ma i materiali utilizzati per realizzare i dispositivi piezoelettrici sono tossici e molto difficili da lavorare, che limita l'uso diffuso della tecnologia.

Lee e colleghi si sono chiesti se un virus studiato nei laboratori di tutto il mondo offrisse un modo migliore. Il batteriofago M13 attacca solo i batteri ed è benigno per le persone. Essendo un virus, si replica a milioni in poche ore, quindi c'è sempre una fornitura costante. È facile da ingegnerizzare geneticamente. E un gran numero di virus a forma di bastoncino si orienta naturalmente in film ben ordinati, proprio come le bacchette si allineano in una scatola.

Questi sono i tratti che gli scienziati cercano in un nano building block. Ma i ricercatori del Berkeley Lab hanno prima dovuto determinare se il virus M13 è piezoelettrico. Lee si rivolse a Ramesh, un esperto nello studio delle proprietà elettriche dei film sottili su scala nanometrica. Hanno applicato un campo elettrico a un film di virus M13 e hanno osservato cosa è successo usando un microscopio speciale. Le proteine ​​elicoidali che ricoprono i virus si attorcigliano e ruotano in risposta, un segno sicuro dell'effetto piezoelettrico all'opera.

Prossimo, gli scienziati hanno aumentato la forza piezoelettrica del virus. Hanno usato l'ingegneria genetica per aggiungere quattro residui di amminoacidi carichi negativamente a un'estremità delle proteine ​​elicoidali che ricoprono il virus. Questi residui aumentano la differenza di carica tra le estremità positive e negative delle proteine, che aumenta la tensione del virus.

Gli scienziati hanno ulteriormente migliorato il sistema impilando film composti da singoli strati del virus uno sopra l'altro. Hanno scoperto che una pila di circa 20 strati di spessore mostrava l'effetto piezoelettrico più forte.

L'unica cosa che restava da fare era un test dimostrativo, così gli scienziati hanno fabbricato un generatore di energia piezoelettrica basato su virus. Hanno creato le condizioni affinché i virus geneticamente modificati si organizzassero spontaneamente in un film multistrato che misura circa un centimetro quadrato. Questo film è stato poi inserito tra due elettrodi placcati in oro, che erano collegati tramite fili a un display a cristalli liquidi.

Quando viene applicata pressione al generatore, produce fino a sei nanoampere di corrente e 400 millivolt di potenziale. È abbastanza corrente per far lampeggiare il numero "1" sul display, e circa un quarto della tensione di una batteria tripla A.

"Stiamo lavorando su come migliorare questa dimostrazione di prova di principio, " dice Lee. "Poiché gli strumenti della biotecnologia consentono la produzione su larga scala di virus geneticamente modificati, i materiali piezoelettrici basati sui virus potrebbero offrire un percorso semplice verso una nuova microelettronica in futuro".