Tecnología
Piezoelectricidad biológica: Logran generar electricidad a partir de un virus
Un grupo de investigadores del Departamento de Energía del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), en Estados Unidos, han desarrollado un método para generar energía utilizando virus inofensivos, capaces de convertir la energía mecánica en electricidad. El estudio se publica esta semana en "Nature Nanotechnology".

Un material piezoeléctrico es un material que es capaz de generar electricidad al aplicarle una tensión mecánica, es decir, apretarlo, estrujarlo o estirarlo. Al aplicar esta deformación al material, éste responde con una polarización eléctrica de su masa que deriva en una diferencia de potencial y la aparición de carga eléctrica en su superficie. Gracias a estas propiedades, por ejemplo, se pueden desarrollar sensores que no requieren de una fuente de alimentación continua y se puedan alimentar gracias a la electricidad generada por la propia deformación del sensor. En el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley han dado un salto muy interesante en el desarrollo de este tipo de materiales y en el diseño de sistemas totalmente autónomos puesto que han sido capaces de desarrollar un material piezoeléctrico de base biológica, desarrollado a partir de un virus.

La noticia es bastante sorprendente y, de hecho, es una senda por la cual estaban caminando muchos trabajos de investigación en el campo de la electrónica. En esta ocasión, el equipo del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley observó que el virus bacteriófago M13, un virus inocuo para el ser humano que se alimenta de bacterias y mide 880 nanometros de longitud y 6,6 nanometros de diámetro, presentó una respuesta similar a la de los materiales piezoeléctricos al estar en presencia de un campo eléctrico puesto que las proteínas de forma helicoidal se rizaron y giraron.

El revolucionario generador tiene la energía suficiente como para activar un dígito en un display de cristal líquido.

Al constatar este hecho, el equipo modificó genéticamente el virus para “potenciar” sus propiedades piezoeléctricas y añadieron cuatro residuos de aminoácidos con carga negativa al final de una de las hélices de las proteínas que recubren el virus que provocaron un incremento en la diferencia de carga entre las proteínas, es decir, una diferencia de potencial. Superponiendo varias capas con esta estructura, hasta llegar a unas 20, los científicos pudieron ver cómo se iba potenciando el efecto piezoeléctrico del conjunto y, por tanto, cómo habían sido capaces de generar una base piezoeléctrica de origen biológico.

Dividiendo estas 20 capas en dos bloques de 10, los científicos insertaron unos electrodos hechos con una aleación de oro y plata y los conectaron a un display LCD. Aplicando una presión a las capas, es decir, al material biológico, observaron que se producía una tensión de 0,4 voltios y una corriente de 6 nanoamperios, suficiente para poder mostrar el dígito “1″ en el display  LCD.

Figura 1: Esquema de la estructura del virus bacteriófago M13.

Teniendo en cuenta que muchos de los materiales piezoeléctricos son cristales (como el cuarzo), materiales que son sometidos a una polarización (tantalio de litio o el nitrato de litio) y algunos materiales sintéticos de carácter cerámico, desarrollar un material piezoeléctrico a partir de una base biológica es todo un avance a seguir muy de cerca y que nos acerca mucho más al desarrollo de dispositivos electrónicos orgánicos (que también tienen su representación con la electrónica flexible) que funcionarán de manera autónoma.

Este método podría dar lugar a la fabricación de pequeños dispositivos que produjeran energía eléctrica a partir de los movimientos habituales en cualquier tarea cotidiana, como cerrar una puerta, o subir las escaleras.

"Se necesita más investigación, pero nuestro trabajo es un primer paso hacia el desarrollo de generadores de energía personales, para su uso en nano-dispositivos, y otros mecanismos basados en la electrónica de virus", explica Seung-Wuk Lee, científico de la Universidad de Berkeley y profesor de Bioingeniería. Lee dirigió la investigación al frente de un equipo que incluye, entre otros, a Ramamoorthy Ramesh, profesor de Ciencias de los Materiales en la Universidad de Berkeley, y Byung Yang Lee, del Berkeley Lab.

El efecto piezoeléctrico fue descubierto en 1880 y, desde entonces, ha sido observado en cristales, cerámica, huesos, proteínas y ADN. También se ha llevado a la práctica: los encendedores de los cigarrillos eléctricos y los microscopios de sonda, por ejemplo, no podrían funcionar sin él. Sin embargo, los materiales utilizados para fabricar dispositivos piezoeléctricos son tóxicos, lo que hasta ahora ha limitado el uso generalizado de esta tecnología.

Figura 2: Propiedades piezoeléctricas de una película monocapa de virus.

Lee y sus colaboradores se preguntaron si un virus, estudiado en laboratorios de todo el mundo, podía ofrecer una mejor alternativa: el bacteriófago M13, que solo ataca a las bacterias y que es, por lo tanto, inofensivo para las personas. Por supuesto, al ser un virus, se reproduce por millones en cuestión de horas, proporcionando un suministro constante. Además, este virus es fácil de manipular genéticamente.

 

400 milivoltios

Para conseguir el éxito, los investigadores de Berkeley tuvieron, en primer lugar, que determinar si el virus M13 era, o no, piezoeléctrico. Para ello, Ramesh y Lee aplicaron un campo eléctrico a una película de virus M13, observando lo que ocurría mediante un microscopio especial. Los investigadores vieron entonces que las proteínas helicoidales que envuelven los virus se retorcían y giraban en respuesta, una señal segura del efecto piezoeléctrico.

Los científicos mejoraron aún más el sistema apilando películas compuestas de capas individuales de virus, una encima de otra. Una pila de aproximadamente 20 capas de espesor mostró el mayor efecto piezoeléctrico. Finalmente, fabricaron un generador de virus, basado en la mencionada energía piezoeléctrica. Así, crearon las condiciones para que los virus modificados genéticamente se organizaran de forma espontánea en una película de capas múltiples, que se intercaló después entre dos electrodos revestidos de oro, conectados por cables a una pantalla de cristal líquido.

Figura 3: Propiedades piezoeléctricas de una película multicapas de virus.

Cuando se aplicó presión sobre el generador, éste produjo un máximo de 6 nanoamperios de corriente, y 400 milivoltios de potencial. "Ahora estamos intentando mejorar esta técnica", afirma Lee, quien concluye que, "debido a que las herramientas de la biotecnología permiten la producción a gran escala de virus modificados genéticamente, los materiales piezoeléctricos basados en virus podrían ofrecer una ruta sencilla hacia la microelectrónica del futuro".

 

 

El efecto piezoeléctrico

La piezoeléctricidad es un fenómeno natural que se encuentra en ciertos cristales minerales, tales como el germanio y el cuarzo, aunque puede ser sintetizada comercialmente, como ocurre con el titanio-circonio (PZT).

Si se aplica presión a los cristales (cuarzo) y a ciertos materiales policristalinos como el titanato de plomo-circonato (PZT) y el titanato de bario, se producen cambios eléctricos en la superficie externa del material piezoeléctrico. Esto se conoce como efecto piezoeléctrico.

Los efectos piezoeléctricos se observan también en el cuerpo humano, especialmente en el tejido óseo, las fibras de colágeno y las proteínas corporales.

Figura 4: Descripción del generador piezoeléctrico de energía compuesto por virus M13.

En 1953 se pone en Japón una piedra fundamental para el avance de la técnica. A partir de los trabajos de Yasuda (1953,1954); Fukada y Yasuda (1957) se descubre en el colágeno el motivo fundamental de las reacciones piezoeléctricas de la estructura ósea y se explica y lleva por primera vez a la práctica diaria su descubrimiento sobre las propiedades piezoeléctricas del hueso seco. Sometido éste a una deformación determinada, se produce una electronegatividad en la concavidad, y una electropositividad en la convexidad.

Esta propiedad piezoeléctrica ya se conocía en determinados cristales minerales del tipo de la turmalina. Las fibras del colágeno se comportan como los cristales líquidos confiriendo al hueso esta propiedad y se sabe que cada conexión proteica (o biopolímero) presenta características similares en cada tejido, excluyendo los esmaltes de los dientes.

Se puede, por lo tanto, afirmar que esta reacción piezoeléctrica es una de las características generales de la materia viviente. Es posible que estos fenómenos piezoeléctricos intervengan en los efectos biológicos del ultrasonido.

El efecto piezoeléctrico es reversible. Así, si las sustancias mencionadas son expuestas a una corriente eléctrica alterna, experimentan cambios en la forma de acuerdo con la frecuencia del campo eléctrico alternante. El material se convierte así en una fuente de sonido.

Actualmente se usan el cuarzo, el titanato de bario y el titanato de plomo-circonato (PZT) para generar ultrasonidos mediante el efecto piezoeléctrico inverso. Los dos últimos materiales tienen la ventaja de que, debido a sus propiedades ferroeléctricas, son suficientes algunas decenas de voltios para inducir la energía acústica requerida.

 

El equipo: Byung Yang Lee, Seung-Wuk Lee, and Ramamoorthy Ramesh (de izquierda a derecha) desarrollaron el generador “viral-electrico”.

 

Fuentes

Berkeley Lab News: Berkeley Lab Scientists Generate Electricity From Viruses

Nature Nanotechnology: Virus-based piezoelectric energy generation

ABC: Logran generar electricidad a partir de virus

Experiensense: Piezoelectricidad biológica: generando electricidad a partir de un virus

 

 

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