Elektriciteit nodig? Begin te huilen.
OK, niet precies. Maar Ierse wetenschappers hebben ontdekt dat een eiwit dat in menselijke tranen wordt aangetroffen, onder hoge druk elektriciteit kan produceren. Ze hopen dat deze bevinding kan leiden tot een veiligere manier om biomedische apparaten zoals pacemakers van stroom te voorzien.
Sommige materialen, waaronder kristallen, bot, hout en verschillende eiwitten, accumuleren een elektrische lading wanneer ze worden samengedrukt. Deze mogelijkheid, die bekend staat als directe piëzo-elektriciteit, heeft toepassingen zo gevarieerd als gitaar pick-ups, biomedische sensoren, mobiele telefoon vibrators, ocean sonar en sigarettenaanstekers.
De onderzoekers van de Universiteit van Limerick waren geïnteresseerd om te zien of het eiwit lysozyme, gevonden in tranen, speeksel, slijm en melk - maar veel overvloediger in kippeneieren - ook deze eigenschap had. Ze kristalliseerden het lysozym met behulp van hoge hitte, zetten het vervolgens onder druk en maten het elektrisch vermogen. Ze verwachtten dat zijn piëzo-elektrische coëfficiënt - een maat voor zijn vermogen - ongeveer 1 picocoulomb per newton zou zijn, vergelijkbaar met andere biomaterialen. Maar het lysozym had eigenlijk een piëzo-elektrisch effect van maximaal 6, 5 picocoulombs per newton. Het gemiddelde effect was ongeveer 2 picocoulombs per newton, vergelijkbaar met kwarts.
"We waren daar behoorlijk enthousiast over", zegt Aimee Stapleton, de hoofdauteur van de studie. Het onderzoek werd vorige week gepubliceerd in het tijdschrift Applied Physics Letters .
Stapleton en haar team (Sean Curtin, True Media) Het onderzoek heeft een aantal potentiële medische toepassingen. Omdat lysozyme biocompatibel is, kan het een veiligere manier zijn om biomedische apparaten zoals pacemakers van stroom te voorzien, waarvan sommige afhankelijk zijn van giftige materialen zoals lood. Door lysozyme gegenereerde elektriciteit kan mogelijk ook leiden tot betere systemen voor medicijnafgifte, waarbij door lysozyme aangedreven pompen een langzame afgifte van medicatie regelen.
Aangezien de belangrijkste taak van lysozyme is om te beschermen tegen infecties, is het een natuurlijke antimicrobiële stof.
"Deze antibacteriële eigenschap kan nuttig zijn in biomedische apparaten, " zegt Stapleton.
Lysozyme is ook overvloedig en gemakkelijk verkrijgbaar, waardoor het een goedkoop materiaal is om mee te werken - het wordt vaak gebruikt in wetenschappelijk onderzoek en in de voedingsindustrie als conserveermiddel. Maar, zoals Stapleton zegt, "het duurt ontzettend lang voordat de applicaties zijn gerealiseerd."
De volgende stap voor Stapleton en haar team is om te kijken naar een ander aspect van piëzo-elektriciteit, bekend als het omgekeerde (of omgekeerde, of omgekeerde) piëzo-elektrische effect. Dit is wanneer de toepassing van elektriciteit een vervorming in het kristalmateriaal veroorzaakt. Als lysozyme dit effect vertoont, kan het ook een aantal mogelijke toepassingen hebben.
"Ik denk dat de prestaties nog steeds het belangrijkste aspect zijn voor nieuwe materiaalontdekking", zegt Xudong Wang, een professor in materiaalkunde en engineering aan de Universiteit van Wisconsin. "Het papier vermeldde dat de piëzo-elektrische coëfficiënt ongeveer hetzelfde is als kwarts. Dit is een beetje laag voor toepassingen voor het oogsten van energie. Het zal zeer interessant zijn om de theoretische limiet van dit nieuwe materiaal te weten."
Stapleton bestudeerde lysozym omdat het een eiwit is dat gemakkelijk kan worden gekristalliseerd en het hebben van een bepaald type kristalstructuur een sleutelfactor is voor het piëzo-elektrisch potentieel van een materiaal. Onderzoekers die piëzo-elektriciteit in biologische materialen bestuderen, hebben eerder gekeken naar complexere materialen zoals cellen en weefsels. Maar Stapleton vond het de moeite waard om een eenvoudig eiwit te onderzoeken, in de hoop dat het wat dieper inzicht in het proces van piëzo-elektriciteit zou kunnen genereren.
"We begrijpen niet helemaal hoe [piëzo-elektriciteit] werkt", zegt ze. "Dus we dachten dat we zouden beginnen met meer fundamentele bouwstenen."
