Физики научились получать электричество из слез

Кристаллы лизоцима — фермента, который может быть выделен из яичного белка и человеческих слез или слюны — оказались выраженным пьезоэлектриком. Международная группа ученых показала, что пьезоэлектрический коэффициент для пленки, составленной из кристаллических агрегатов лизоцима, достаточно большой, чтобы эти материалы можно было использовать для биосовместимой электроники. Работа опубликована в Applied Physics Letters.

Пьезоэлектрики — материалы, в которых при деформации возникает электрическое напряжение. Если пьезоэлектрический материал растягивать или сжимать, то он поляризуется, и в нем возникает разность потенциалов. При этом зависимость электрического напряжения от деформации позволяет использовать пьезоэлементы для очень точного позиционирования, в частности, в атомно-силовом микроскопе, где положение кантилевера регулируется с разрешением в доли ангстрема.

В основном, пьезоэлектрические материалы являются по своей природе неорганическими, но пьезоэлектрический эффект наблюдается и для некоторых материалов биологического происхождения. В частности, слабыми пьезоэлектриками являются некоторые фибриллярные белки, например, коллаген и кератин.

В своей новой работе международный коллектив химиков из Ирландии, Португалии и России показал, что кристаллы глобулярных белков тоже могут обладать выраженными пьезоэлектрическими свойствами. Этот эффект ученые продемонстрировали на лизоциме — ферменте из группы гидролаз, который разрушает клеточные стенки бактерий и содержится, например, в яичном белке, и биологических жидкостях млекопитающих: слезах, слюне и грудном молоке.

Ученые синтезировали пленки толщиной около 30 микрон, состоящие из кристаллических агрегатов лизоцима двух кристаллических модификаций: с моноклинной и тетрагональной структурой. В этих пленках они измерили пьезоэлектрический эффект при комнатной температуре с помощью пьезометра, действие которого основано на измерении возникающей поляризации для двух противоположных ориентаций кристалла. Если материал действительно является пьезоэлектриком, то поляризация в этих двух конфигурациях имеет противоположный знак.

Оказалось, что в тетрагональных кристаллах пьезоэлектрический эффект наблюдается только при сдвиговых деформациях, а для моноклинной структуры он также характерен для нормальной деформации в продольном и поперечном направлениях. Для кристалла с моноклинной решеткой величина пьезоэлектрического коэффициента составила около 1 пикокулона на ньютон, а для тетрагонального — примерно в 3 раза больше. При этом в отдельных случаях измеренный пьезоэлектрический коэффициент достигал 6,5 пикокулон на ньютон.

Ученые отмечают, что измеренные пьезоэлектрические коэффициенты достаточно большие для того, чтобы в дальнейшем такие материалы можно было использовать при разработке гибкой электроники для биомедицинских устройств. При этом в отличие от подавляющего большинства других пьезоэлектрических материалов, кристаллы лизоцима является биосовместимыми.

Слезы — далеко не единственная биологическая жидкость, которую ученые предлагали использовать для получения электричества. Так, например, кровь может быть использована и как источник веществ, необходимых для работы топливного элемента, и для работы микрогидроэлектрогенератора.

Александр Дубов