Technologie

Piezoelektrische Viren erzeugen bei mechanischem Druck Strom

Der Effekt der Piezoelektrizität beschreibt das Zusammenspiel von mechanischem Druck und elektrischer Spannung in Festkörpern. Piezoelektrizität heißt, dass wenn ein Material durch eine gerichtete Verformung polarisiert wird, an ihrer Oberfläche in Richtung der Verformung eine elektrische Spannung abfällt. Piezoelektrische Materialien werden derzeit beispielsweise bereits bei Sensoren eingesetzt, die dadurch von einer Stromversorgung unabhängig werden. Allerdings sind die derzeit verwendeten piezoelektrischen Materialien meist giftig.

Einen neuen Ansatz haben nun Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory des US-Energieministeriums entdeckt und in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht: Sie haben einen für den Menschen unbedenklichen Virus genetisch so verändert, dass er auf mechanischen Druck hin Strom erzeugt. In einem Versuch wurde eine Elektrode mit einem Film dieser piezoelektrischen Viren überzogen, bei dem Druck mit einem Finger auf die Elektrode hat der Generator dann soviel Strom erzeugt, dass damit ein kleiner Flüssigkristallbildschirm betrieben werden konnte. Damit ist es erstmals gelungen, piezoelektrischen Eigenschaften eines biologischen Materials zu erzeugen.

Die verwendeten Bakteriophagen des Typs M13, deren Wirt E. coli-Bakterien sind, lassen sich rasend schnell in Bakterien replizieren und genetisch leicht verändern. Um die piezoleketrischen Eigenschaften der Viren noch weiter zu verbessern, haben die Forscher mittels Gentechnik am negativen Dipol-Ende der Mantel-Proteine vier negativ geladene Aminosäuren hinzugefügt, was die elektrische Spannung der Viren erhöht. Die stärkste piezoelektrische Wirkung wurde dann beobachtetet, wenn 20 Schichten von Viren mit vier zusätzlichen negativen Aminosäuren übereinander gelegt wurden. Bei dem Test-Geneartor wurden die speziellen Viren in der Größenordnung von einem Quadratzentimeter zwischen zwei vergoldete Elektroden geschichtet. Die elektrische Spannung entsprach dann einem Viertel der Ladung einer 1,5-Volt-Batterie. Die Stromerzeugung kann dabei erhöht werden, wenn mehrere Generatoren gleichzeitig verwendet werden.

Als Anwendungsmöglichkeiten bieten sich vor allem mobile Anwendungen an, beispielsweise als Einlage in Schuhen, die beim Gehen Strom erzeugen und z.B. Handys aufladen, oder auch beim Öffnen und Schließen von Türen, Treppenstufen, oder auch beim Tippen auf der Tastatur eines Computers. Allerdings bedarf es zunächst noch einiger Forschungsarbeit, da das Ergebnis (noch) nicht in die klassischen Theorien der Piezoelektrizität passen, die auf der Grundlage von völlig anders gearteten kristallinen Strukturen gebildet wurden.

(mb / mit Informationen von Telepolis)

 

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