Mikrobaterie zbudowane przez wirusy

Ponieważ urządzenia elektroniczne są coraz mniejsze, rośnie zapotrzebowanie na podobnie maleńkie źródła zasilania. Teraz naukowcy z MIT zgłosili ważny postęp w budowie takich mikroskopijnych baterii. Wykorzystali wirusa do montażu anod na warstwach elektrolitu – dwóch z trzech głównych elementów działającego akumulatora – i połączyli je z powierzchniami zbierającymi prąd. Komponenty opisane w tym tygodniu w Materiały Narodowej Akademii Nauk , mają tylko cztery mikrometry szerokości i mogą znaleźć zastosowanie w laboratoriach na chipie lub innych małych urządzeniach medycznych - twierdzą naukowcy.

Pakowanie mocy: Naukowcy z MIT stworzyli mikrobaterie oparte na wirusach, nadrukowane na czterech platynowych paskach, rozszerzających się w lewo. Dwa rzędy elektrod baterii, zbyt małe, aby można je było tutaj zobaczyć, są wyrównane na zwężającym się końcu każdego platynowego paska i pokryte folią litową do testowania elektrycznego.

Budowanie mikroskopijnych baterii okazało się w przeszłości trudne, ponieważ proporcja materiału aktywnego elektrochemicznie wewnątrz baterii zmniejsza się wraz ze zmniejszaniem się jej rozmiaru. Innym trendem w elektronice jest podążanie za wzorami urządzeń na elastycznych lub zakrzywionych powierzchniach, do których źródła zasilania muszą być w stanie się przystosować. Prace MIT sugerują, że małe, niezawodne baterie można wytwarzać zarówno w mikroskopijnej skali, jak i umieszczać na różnych powierzchniach.

Nowością w tych badaniach jest zarówno rozmiar [elektrod baterii], jak i proces ich pozycjonowania, mówi Angela Belcher , profesor materiałoznawstwa na MIT, który współpracował z kolegami Jeszcze-Ming Chiang oraz Paula Hammond w pracy. Zaczęli od wytrawiania kolumn o szerokości czterech mikrometrów i wysokości kilku mikrometrów na powierzchni opartej na krzemie, aby skutecznie stworzyć stempel. Następnie umieścili na wierzchu tych kolumn naprzemienne warstwy dwóch różnych polimerów, które służyły jako stały elektrolit i separator baterii.

Następnie wirus o nazwie M13 , który badacze wykorzystali we wcześniejszych badaniach nad samomontażem, został użyty do wykonania anody. Wirus zbudowany jest z białek, które można modyfikować genetycznie, aby reagowały z określonymi substancjami. W tym przypadku wygenerował uporządkowane macierze nanodrutów tlenku kobaltu na wierzchu stałego elektrolitu. Na koniec zmontowane elektrody zostały odwrócone i wciśnięte na cienkie paski platyny, które połączono z miedzianym stykiem w celu pobrania prądu z urządzenia.

Naukowcy przetestowali wydajność urządzenia przy użyciu warstwy folii litowej i odkryli, że jakość elektrod jest dokładnie taka sama jak wcześniej, mówi Belcher, odnosząc się do wcześniejszych demonstracji większych baterii zmontowanych przez wirusy. Dodaje, że anoda z tlenku kobaltu ma znacznie wyższą zdolność magazynowania ładunku niż elektrody węglowe zwykle stosowane w akumulatorach litowo-jonowych i jest stabilna podczas ładowania i rozładowywania. Ma również większą gęstość materiału aktywnego niż zwykłe baterie.

Inne zalety tworzenia wirusów obejmują działanie w temperaturze pokojowej i precyzyjną kontrolę nad rozmiarem i rozmieszczeniem nanomateriałów, co prowadzi do jednolitych i łatwych do odtworzenia urządzeń. Kolejnym celem naukowców jest dodanie katody złożonej z wirusa, aby stworzyć kompletną baterię. Ponieważ eksperymentowali z różnymi materiałami i produkowali katody na większą skalę, Belcher twierdzi, że włączenie mikrokatod do metody drukowania jest zdecydowanie możliwe. Dodaje, że w przyszłości będą pracować nad urządzeniami o wyższej gęstości energii i tworzyć urządzenia, które są biokompatybilne.

ukryć