Virussamlede batterier

Mere end halvdelen af ​​vægten og størrelsen af ​​nutidens batterier kommer fra støttematerialer, der intet bidrager til at lagre energi. Nu har forskere påvist, at gensplejsede vira kan samle aktive batterimaterialer til en kompakt, regulær struktur for at lave en ultratynd, gennemsigtig batterielektrode, der lagrer næsten tre gange så meget energi som dem i nutidens lithium-ion-batterier. Det er det første skridt mod selvsamlende batterier med høj kapacitet.

Applikationer kan omfatte højenergibatterier, der er usynligt lamineret til fladskærme i mobiltelefoner og bærbare computere eller tilpasset til høreapparater. Den samme samlingsteknik kan også føre til mere effektive katalysatorer og solpaneler, ifølge MIT-forskerne, der udviklede teknologien, ved at gøre det muligt at fint kontrollere placeringen af ​​uorganiske materialer.

Det meste af det blev gjort gennem genetisk manipulation – at give en organisme, der normalt ikke ville lave batterielektroder informationen til at lave en batterielektrode og samle den til en enhed, siger Angela Belcher, forsker på projektet og MIT-professor i materialevidenskab og teknik og biologisk teknik. Min drøm er at have en DNA-sekvens, der koder for syntesen af ​​materialer, og så ud af et bæger for at trække en enhed ud. Og jeg synes, det er et stort skridt ad den vej.

Forskerne i arbejde rapporterede online i denne uge i Videnskab , brugte M13-virus til at lave den positive elektrode af et lithium-ion-batteri, som de testede med en konventionel negativ elektrode. Virusset er lavet af proteiner, hvoraf de fleste spoler sig sammen til en lang, tynd cylinder. Ved at tilføje sekvenser af nukleotider til virusets DNA, ledede forskerne disse proteiner til at dannes med en yderligere aminosyre, der binder til koboltioner. Vira med disse nye proteiner overtrækker sig derefter med koboltioner i en opløsning, som til sidst, efter reaktioner med vand, fører til koboltoxid, et avanceret batterimateriale med meget højere lagerkapacitet end de kulstofbaserede materialer, der nu bruges i lithium-ion batterier.

For at lave en elektrode dypper forskerne først en polymerelektrolyt i en opløsning af konstruerede vira. Viraene samles til en ensartet belægning på elektrolytten. Denne belagte elektrolyt dyppes derefter i en opløsning, der indeholder batterimaterialer. Vira arrangerer disse materialer i en ordnet krystalstruktur, der er god til højdensitetsbatterier.

[Klik her for en illustration af batteridannelsesprocessen.]

Disse elektroder viste sig at have dobbelt så stor kapacitet som kulstofbaserede. For at forbedre dette yderligere henvendte forskerne sig igen til genteknologi. Mens de beholdt den genetiske kode for koboltsamlingen, tilføjede de en ekstra DNA-streng, der producerer virusproteiner, der binder til guld. Viraene samledes derefter som nanotråde bestående af både koboltoxid og guldpartikler - og de resulterende elektroder lagrede 30 procent mere energi.

At bruge vira til at samle uorganiske materialer har flere fordele, siger Daniel Morse, professor i molekylær genetik og biokemi ved University of California, Santa Barbara. For det første er placeringen af ​​proteinerne, og kobolt og guld, der binder til dem, præcis. Virussen kan også formere sig hurtigt, hvilket giver masser af udgangsmateriale, hvilket tyder på, at dette er en fremstillingsteknik, der hurtigt kan skalere op. Og denne samlingsmetode kræver ikke de kostbare processer, der nu bruges til at fremstille batterimaterialer.

Du kunne gøre dette på industrielt niveau virkelig hurtigt, siger Brent Iverson, professor i organisk kemi og biokemi ved University of Texas i Austin. Jeg kan ikke forestille mig en måde at skabelon eller stilladsere nanopartikler billigere.

Alligevel siger-Ming Chiang, materialevidenskab og ingeniørprofessor ved MIT og en af ​​Belchers samarbejdspartnere, at selvom små batterier designet til specifikke applikationer kunne fremstilles ved hjælp af denne proces inden for et par år, er der stadig meget arbejde at gøre. For eksempel er koboltoxid måske ikke det bedste materiale, så forskerne vil udvikle vira til at binde sig til andre materialer.

En af de måder, de tidligere har gjort dette på, er at bruge en proces, der kaldes rettet evolution. De kombinerer samlinger af vira med millioner af tilfældige variationer i et hætteglas, der indeholder et stykke af det materiale, de ønsker, at virussen skal binde sig til. Nogle af vira har tilfældigvis proteiner, der binder sig til materialet. At isolere disse vira er en simpel proces med at vaske stykket materiale af - kun de vira, der er bundet til materialet, er tilbage. Disse kan så få lov til at formere sig. Efter et par omgange med binding og vask er der kun vira tilbage med den højeste affinitet til materialet.

Forskerne ønsker også at lave vira, der også samler den negative elektrode. De ville derefter dyrke de positive og negative elektroder på modsatte sider af en selvsamlende polymerelektrolyt udviklet af Paula Hammond*, en anden stor bidragyder til projektet. Dette ville skabe selvsamlede batterier, ikke kun elektroder. Et andet mål er at lave interdigiterede batterier, hvor negative og positive elektrodematerialer veksler, som tænderne på to kamme, der er skubbet sammen - dette kan pakke mere energi ind og føre til batterier, der leverer den energi i kraftigere udbrud.

Og batterier kan kun være begyndelsen. Da vira har forskellige proteiner på forskellige steder - et protein i midten og andre i enderne - kan forskerne skabe vira, der binder til ét materiale i midten og forskellige materialer i enderne. Allerede har Belchers gruppe produceret vira, der beklæder sig selv med halvledere og derefter vedhæfter sig i enderne til guldelektroder, hvilket kan føre til fungerende transistorer.

Hvis du kan lave batterier, der virkelig er effektive på denne måde, er det bare forbløffende, hvad applikationerne kunne være, siger Iverson.

* Rettelse : Virus-batteri-arbejdet var resultatet af et samarbejde mellem forskere ved MIT. Den originale artikel nævner Angela Belcher og Yet-Ming Chiang. En vigtig del af dette arbejde var udviklingen af ​​en selvsamlende polymerelektrolyt af Paula Hammond, MIT kemiingeniørprofessor.

Hjemmesidebillede udlånt af Angela Belcher, MIT.

skjule