Brug for elektricitet? Begynd at græde.
OK, ikke nøjagtigt. Men irske forskere har opdaget, at et protein, der findes i menneskelige tårer, når det placeres under højt tryk, kan producere elektricitet. De håber, at dette fund kan føre til en mere sikker måde at drive biomedicinske apparater såsom pacemakere på.
Nogle materialer, inklusive krystaller, knogler, træ og forskellige proteiner, akkumulerer en elektrisk ladning, når den klemmes. Denne evne, der er kendt som direkte piezoelektricitet, har så forskellige applikationer som guitar pick-ups, biomedicinske sensorer, mobiltelefonvibratorer, havsolar og cigarettændere.
Forskerne fra University of Limerick var interesserede i at se, om proteinlysozym, der findes i tårer, spyt, slim og mælk - men langt mere rigeligt i kyllingæg - også havde denne egenskab. De krystalliserede lysozymet ved hjælp af høj varme, satte det derefter under tryk og målte dets elektriske output. De forventede, at dens piezoelektriske koefficient - et mål for dens magt - ville være omkring 1 picocoulombs pr. Newton, svarende til andre biomaterialer. Men lysozymet havde faktisk en piezoelektrisk effekt på op til 6, 5 picocoulombs pr. Newton. Den gennemsnitlige effekt var ca. 2 picocoulombs pr. Newton, svarende til kvarts.
”Det var vi ret begejstrede for, ” siger Aimee Stapleton, studiens hovedforfatter. Forskningen blev offentliggjort i sidste uge i tidsskriftet Applied Physics Letters .
Stapleton og hendes team (Sean Curtin, True Media) Forskningen har en række potentielle medicinske anvendelser. Da lysozym er biokompatibelt, kan det potentielt være en sikrere måde at drive biomedicinske apparater som pacemakere på, hvoraf nogle er afhængige af giftige materialer som bly. Lysozym-genereret elektricitet kan også potentielt føre til bedre medicinafgivelsessystemer, hvor lysozymdrevne pumper kontrollerer en langsom frigivelse af medicin.
Da lysozyms vigtigste job er at beskytte mod infektion, er det en naturlig antimikrobiel.
”Denne antibakterielle egenskab kan være nyttig i biomedicinske enheder, ” siger Stapleton.
Lysozym er også rigeligt og let tilgængeligt, hvilket gør det til et billigt materiale at arbejde med — det bruges ofte i videnskabelig forskning og i fødevareindustrien som konserveringsmiddel. Men som Stapleton siger, ”applikationerne tager lang tid at blive realiseret.”
Det næste trin for Stapleton og hendes team er at se på et andet aspekt af piezoelektricitet, kendt som den omvendte (eller omvendte eller omvendte) piezoelektriske effekt. Dette er når anvendelse af elektricitet skaber en deformation i krystalmaterialet. Hvis lysozym viser denne effekt, kan det også have et antal potentielle anvendelser.
"Jeg tror, at ydeevnen stadig er det vigtigste aspekt for ny materialeopdagelse, " siger Xudong Wang, professor i materialevidenskab og teknik ved University of Wisconsin. "Papiret, der nævnes den piezoelektriske koefficient, er omtrent det samme som kvarts. Dette er slags lavt til energihøstningsanvendelser. Det vil være meget interessant at kende den teoretiske grænse for dette nye materiale."
Stapleton studerede lysozym, fordi det er et protein, der let kan krystalliseres, og at have en bestemt type krystalstruktur er en nøglefaktor for et materiales piezoelektriske potentiale. Forskere, der studerer piezoelektricitet i biologiske materialer, har tidligere set på mere komplekse materialer som celler og væv. Men Stapleton regnede med, at det var værd at undersøge et simpelt protein i håb om, at det kunne skabe en vis dybere forståelse af processen med piezoelektricitet.
”Vi forstår ikke fuldt ud, hvordan [piezoelektricitet] fungerer, ” siger hun. ”Så vi troede, at vi ville starte med mere grundlæggende byggesten.”
