Baterie zmontowane przez wirusy

Ponad połowa wagi i rozmiaru dzisiejszych baterii pochodzi z materiałów pomocniczych, które nie przyczyniają się do gromadzenia energii. Teraz naukowcy wykazali, że genetycznie zmodyfikowane wirusy mogą łączyć aktywne materiały akumulatorowe w zwartą, regularną strukturę, tworząc ultracienką, przezroczystą elektrodę akumulatorową, która przechowuje prawie trzy razy więcej energii niż w dzisiejszych akumulatorach litowo-jonowych. To pierwszy krok w kierunku pojemnych, samomontujących się akumulatorów.

Zastosowania mogą obejmować wysokoenergetyczne baterie laminowane w sposób niewidoczny na płaskich ekranach w telefonach komórkowych i laptopach lub dopasowane do aparatów słuchowych. Zdaniem naukowców z MIT, którzy opracowali tę technologię, ta sama technika montażu może również prowadzić do wydajniejszych katalizatorów i paneli słonecznych, umożliwiając precyzyjną kontrolę położenia materiałów nieorganicznych.

Większość z nich została wykonana poprzez manipulację genetyczną – dając organizmowi, który normalnie nie wytwarzałby elektrod baterii, informacje potrzebne do zrobienia elektrody i złożenia jej w urządzenie, mówi Angela Belcher, badaczka projektu i profesor MIT z MIT. materiałoznawstwo i inżynieria oraz inżynieria biologiczna. Moim marzeniem jest posiadanie sekwencji DNA, która koduje syntezę materiałów, a następnie wyjęcie ze zlewki urządzenia. I myślę, że to duży krok na tej ścieżce.

Naukowcy, w swoich pracach zrelacjonowali online w tym tygodniu w Nauka , wykorzystali wirusy M13 do wykonania dodatniej elektrody akumulatora litowo-jonowego, którą przetestowali z konwencjonalną elektrodą ujemną. Wirus składa się z białek, z których większość zwija się, tworząc długi, cienki cylinder. Dodając sekwencje nukleotydów do DNA wirusa, naukowcy skierowali te białka, aby utworzyły dodatkowy aminokwas, który wiąże się z jonami kobaltu. Wirusy z tymi nowymi białkami pokrywają się następnie jonami kobaltu w roztworze, co ostatecznie prowadzi, po reakcjach z wodą, do tlenku kobaltu, zaawansowanego materiału akumulatorowego o znacznie większej pojemności magazynowej niż materiały na bazie węgla stosowane obecnie w litowo-jonowych baterie.

Aby wykonać elektrodę, naukowcy najpierw zanurzają elektrolit polimerowy w roztworze zmodyfikowanych wirusów. Wirusy tworzą jednolitą powłokę na elektrolicie. Ten powlekany elektrolit jest następnie zanurzany w roztworze zawierającym materiały akumulatorowe. Wirusy układają te materiały w uporządkowaną strukturę krystaliczną, odpowiednią dla akumulatorów o dużej gęstości.

[ Kliknij tutaj, aby zobaczyć ilustrację procesu formowania baterii.]

Elektrody te okazały się mieć dwukrotnie większą pojemność niż elektrody węglowe. Aby jeszcze bardziej to ulepszyć, naukowcy ponownie zwrócili się w stronę inżynierii genetycznej. Zachowując kod genetyczny zespołu kobaltowego, dodali dodatkową nić DNA, która wytwarza białka wirusa wiążące się ze złotem. Wirusy składały się następnie jako nanodruty złożone zarówno z tlenku kobaltu, jak i cząstek złota – a powstałe elektrody magazynowały o 30 procent więcej energii.

Używanie wirusów do składania materiałów nieorganicznych ma kilka zalet, mówi Daniel Morse, profesor genetyki molekularnej i biochemii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara. Po pierwsze, umiejscowienie białek oraz wiążącego się z nimi kobaltu i złota jest precyzyjne. Wirus może również szybko się rozmnażać, dostarczając mnóstwo materiału wyjściowego, co sugeruje, że jest to technika produkcyjna, która może szybko zwiększyć skalę. A ta metoda montażu nie wymaga kosztownych procesów stosowanych obecnie do wytwarzania materiałów akumulatorowych.

Na poziomie przemysłowym można to zrobić naprawdę szybko, mówi Brent Iverson, profesor chemii organicznej i biochemii na University of Texas w Austin. Nie wyobrażam sobie taniego sposobu na szablonowanie lub rusztowanie nanocząstek.

Yet-Ming Chiang, profesor materiałoznawstwa i inżynierii na MIT i jeden ze współpracowników Belchera, mówi, że chociaż małe baterie zaprojektowane do konkretnych zastosowań można by wyprodukować przy użyciu tego procesu w ciągu kilku lat, wiele pozostaje do zrobienia. Na przykład tlenek kobaltu może nie być najlepszym materiałem, więc naukowcy będą opracowywać wirusy, aby wiązały się z innymi materiałami.

Jednym ze sposobów, w jaki robili to w przeszłości, jest wykorzystanie procesu zwanego ewolucją ukierunkowaną. Łączą kolekcje wirusów z milionami losowych odmian w fiolce zawierającej fragment materiału, z którym wirus ma się związać. Niektóre wirusy mają białka, które wiążą się z materiałem. Wyizolowanie tych wirusów to prosty proces zmywania kawałka materiału – pozostają tylko te wirusy związane z materiałem. Można je następnie zezwolić na reprodukcję. Po kilku rundach wiązania i mycia pozostają tylko wirusy o największym powinowactwie do materiału.

Naukowcy chcą również stworzyć wirusy, które montują również elektrodę ujemną. Następnie wyhodowaliby dodatnie i ujemne elektrody po przeciwnych stronach samoorganizującego się elektrolitu polimerowego opracowanego przez Paulę Hammond*, inną ważną osobę w projekcie. W ten sposób powstawałyby samozmontowane baterie, a nie tylko elektrody. Innym celem jest stworzenie baterii o splecionych cyfrach, w których materiał elektrody ujemnej i dodatniej występuje naprzemiennie, jak zęby dwóch złączonych grzebieni – może to zapakować więcej energii i prowadzić do baterii, które dostarczają tę energię w silniejszych seriach.

A baterie mogą być dopiero początkiem. Ponieważ wirusy mają różne białka w różnych miejscach – jedno białko w środku, a inne na końcach – naukowcy mogą tworzyć wirusy, które wiążą się z jednym materiałem w środku i różnymi materiałami na końcach. Już teraz grupa Belchera wyprodukowała wirusy, które pokrywają się półprzewodnikami, a następnie przyczepiają się na końcach do złotych elektrod, co może prowadzić do pracy tranzystorów.

Jeśli możesz stworzyć baterie, które naprawdę są skuteczne w ten sposób, to po prostu zadziwiające, jakie mogą być aplikacje, mówi Iverson.

* Korekta : Praca nad wirusem i baterią była wynikiem współpracy naukowców z MIT. Oryginalny artykuł wspomina Angelę Belcher i Yet-Ming Chiang. Ważną częścią tej pracy było opracowanie przez Paulę Hammond, profesora inżynierii chemicznej MIT, samoorganizującego się elektrolitu polimerowego.

Zdjęcie na stronie głównej dzięki uprzejmości Angeli Belcher, MIT.

ukryć