眼淚也可以發電?科學家發現溶菌酶晶體的壓電效應

2021-01-07 環球創新智慧

導讀

最近，愛爾蘭利默裡克大學（UL）伯納爾學院的研究人員們發現：對於蛋清和眼淚中的蛋白質施加壓力可以發電。他們觀察了溶菌酶晶體（一種大量存在於禽類蛋清以及動物眼淚、唾液、牛奶中的蛋白質）能夠在受壓時產生電力。

關鍵字

自供電、生物、醫療電子

背景

今天我們要介紹的創新研究成果，與一種特殊的科學效應相關，這就是壓電效應。它是某些材料中的機械能與電能互換的現象。簡單點說，壓電材料因機械變形產生電場，也可因電場作用產生機械變形。

通過施加壓力而產生電力的能力，也稱為「直接壓電效應」。例如，石英等材料就具有這種將機械能轉化為電能（反之亦然）的特性。此類材料的應用範圍很廣泛，從行動電話的諧振器和振動器，到深海聲納，再到超聲波成像。骨頭、肌腱和木料都被認為長期具有壓電性。

創新

由愛爾蘭科學家組成的團隊經研究發現：對於蛋清和眼淚中的蛋白質施加壓力也能夠發電。愛爾蘭利默裡克大學（UL）伯納爾學院的研究人員觀察到溶菌酶晶體（一種大量存在於禽類蛋清以及動物眼淚、唾液、牛奶中的蛋白質）能在受壓時產生電力。

他們的論文於10月2日發表在《應用物理學快報》（Applied Physics Letters）雜誌。

利默裡克大學伯納爾學院和物理系的研究生、文章的領導作者 Aimee Stapleton 表示：「在我們周圍，壓電效應得到了廣泛應用，而這種由特殊蛋白產生電能的能力尚未得到開發。在溶菌酶晶體中的壓電效應非常顯著。它與石英中發現的是一個數量級。然而，因為它是一種生物材料，它是無毒的，所以具有許多創新應用，例如電活性、抗菌的醫療植入物塗料等等。」

技術

溶菌酶晶體非常容易從自然資源中獲取。利默裡克大學的結構生物學家、論文合著者 Tewfik Soulimane 教授表示：「自1965年起，溶菌酶晶體的高精度結構就開始被發現。實際上，它是被發現的第二個蛋白質結構和首個酶結構。但是，我們首先使用了這些晶體揭示壓電效應的存在。」

團隊領頭人、利默裡克大學物理系教授 Tofail Syed 表示：「晶體是在非生物的材料中測量壓電效應的黃金標準。我們的團隊已經揭示了一種同樣的方案，可用於理解生物學中的這種效應。這是一種新方案，科學家們目前已經嘗試使用複雜的層次結構，例如組織、細胞、多肽，而不是研究更簡單的基本結構單元，進而理解生物學中的壓電效應。」

價值

這項發現的應用領域很廣泛，將導致在能量採集和生物醫療柔性電子領域，更為深入的研究。這項發現的未來應用將包括：使用溶菌酶作為一種生理調節泵從環境中吸收能量。溶菌酶天生具有生物相溶性和壓電性，將成為傳統的壓電能量採集器的一種替代品，因為許多的傳統壓電能量採集器中含有毒元素例如鉛。

伯納爾學院的主任、生物系統工程和設計系伯納爾教授 Luuk van der Wielen 教授對利默裡克大學科學家們的科研突破感到非常高興：「在日益國際化的環境中，伯納爾研究所對於在尖端科學方面影響世界具有雄心壯志。在生物壓電領域，這項研究所帶來的影響是巨大的，伯納爾的科學家們正在引領這個領域的前沿。」

參考資料

【1】http://ul.ie/news-centre/news/irish-scientists-discover-method-to-produce-electricity-from-tears

【1】A. Stapleton, M. R. Noor, J. Sweeney, V. Casey, A. L. Kholkin, C. Silien, A. A. Gandhi, T. Soulimane, S. A. M. Tofail. The direct piezoelectric effect in the globular protein lysozyme. Applied Physics Letters, 2017; 111 (14): 142902 DOI: 10.1063/1.4997446

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