Virusų surinktos baterijos

Daugiau nei pusė šiandieninių baterijų svorio ir dydžio gaunama iš atraminių medžiagų, kurios niekaip neprisideda prie energijos kaupimo. Dabar mokslininkai įrodė, kad genetiškai modifikuoti virusai gali surinkti aktyvias baterijų medžiagas į kompaktišką, taisyklingą struktūrą ir sukurti itin ploną, skaidrų akumuliatoriaus elektrodą, kuris sukaupia beveik tris kartus daugiau energijos nei dabartinės ličio jonų baterijos. Tai pirmas žingsnis didelės talpos, savaime susirenkančių baterijų link.

Taikymas gali apimti didelės energijos baterijas, nepastebimai laminuotas ant plokščių mobiliųjų telefonų ir nešiojamųjų kompiuterių ekranų arba pritaikytas klausos aparatams. Pasak MIT tyrėjų, sukūrusių šią technologiją, ta pati surinkimo technika taip pat galėtų padėti sukurti efektyvesnius katalizatorius ir saulės baterijas, nes būtų galima tiksliai valdyti neorganinių medžiagų padėtį.

Didžioji dalis to buvo atlikta naudojant genetinę manipuliaciją – suteikiant organizmui, kuris paprastai negamina akumuliatoriaus elektrodų, informaciją, kad būtų galima pagaminti akumuliatoriaus elektrodą ir surinkti jį į įrenginį, sako Angela Belcher, projekto tyrėja ir MIT profesorė. medžiagų mokslas ir inžinerija bei biologinė inžinerija. Mano svajonė yra turėti DNR seką, kuri koduotų medžiagų sintezę, o tada iš stiklinės ištraukti prietaisą. Ir aš manau, kad tai didelis žingsnis tame kelyje.

Tyrėjai, dirbę internete, šią savaitę pranešė Mokslas , naudojo M13 virusus, kad pagamintų teigiamą ličio jonų akumuliatoriaus elektrodą, kurį išbandė su įprastu neigiamu elektrodu. Virusas sudarytas iš baltymų, kurių dauguma susisuka į ilgą ploną cilindrą. Pridėję nukleotidų sekas prie viruso DNR, mokslininkai nukreipė šiuos baltymus formuotis su papildoma aminorūgštimi, kuri jungiasi su kobalto jonais. Virusai su šiais naujais baltymais pasidengia kobalto jonais tirpale, kuris galiausiai po reakcijos su vandeniu sukelia kobalto oksidą – pažangią akumuliatoriaus medžiagą, kurios talpa yra daug didesnė nei dabar ličio jonų gamybai naudojamos anglies pagrindu pagamintos medžiagos. baterijos.

Norėdami pagaminti elektrodą, mokslininkai pirmiausia panardina polimero elektrolitą į sukurtų virusų tirpalą. Virusai susirenka į vienodą elektrolito dangą. Tada šis padengtas elektrolitas panardinamas į tirpalą, kuriame yra akumuliatoriaus medžiagų. Virusai suskirsto šias medžiagas į tvarkingą kristalinę struktūrą, tinkančią didelio tankio baterijoms.

[ Spauskite čia norėdami pavaizduoti akumuliatoriaus formavimo procesą.]

Įrodyta, kad šių elektrodų talpa yra dvigubai didesnė nei pagamintų iš anglies. Norėdami tai dar labiau pagerinti, mokslininkai vėl kreipėsi į genų inžineriją. Išsaugodami genetinį kobalto agregato kodą, jie pridėjo papildomą DNR grandinę, kuri gamina viruso baltymus, kurie jungiasi su auksu. Tada virusai buvo surinkti kaip nanolaideliai, sudaryti iš kobalto oksido ir aukso dalelių, o gauti elektrodai sukaupė 30 procentų daugiau energijos.

Virusų naudojimas neorganinėms medžiagoms surinkti turi keletą privalumų, sako Danielis Morse'as, Kalifornijos universiteto Santa Barbaroje molekulinės genetikos ir biochemijos profesorius. Pirma, baltymų ir su jais jungiančio kobalto bei aukso išdėstymas yra tikslus. Virusas taip pat gali greitai daugintis, suteikdamas daug pradinės medžiagos, o tai rodo, kad tai yra gamybos technika, kuri gali greitai išaugti. Ir šis surinkimo būdas nereikalauja brangių procesų, dabar naudojamų baterijų medžiagoms gaminti.

Tai galite padaryti pramoniniu lygiu tikrai greitai, sako Brentas Iversonas, Teksaso universiteto Ostine organinės chemijos ir biochemijos profesorius. Neįsivaizduoju pigesnio būdo nanodaleles šablonuoti ar pastoliuoti.

Vis dėlto Ming Chiang, MIT medžiagų mokslo ir inžinerijos profesorius ir vienas iš Belcherio bendradarbių, teigia, kad nors per porą metų naudojant šį procesą būtų galima pagaminti nedidelius specifiniams tikslams skirtas baterijas, dar reikia daug nuveikti. Pavyzdžiui, kobalto oksidas gali būti ne pati geriausia medžiaga, todėl tyrėjai kurs virusus, kurie prisijungtų prie kitų medžiagų.

Vienas iš būdų, kaip jie tai padarė praeityje, yra procesas, vadinamas nukreipta evoliucija. Jie sujungia virusų kolekcijas su milijonais atsitiktinių variantų buteliuke, kuriame yra gabalėlis medžiagos, su kuria jie nori, kad virusas prisijungtų. Kai kurie virusai turi baltymų, kurie jungiasi su medžiaga. Šių virusų išskyrimas yra paprastas medžiagos gabalo nuplovimo procesas – lieka tik su medžiaga susieti virusai. Tada galima leisti jiems daugintis. Po kelių surišimo ir plovimo raundų lieka tik didžiausią afinitetą medžiagai turintys virusai.

Tyrėjai taip pat nori sukurti virusus, kurie taip pat surinktų neigiamą elektrodą. Tada jie augintų teigiamus ir neigiamus elektrodus priešingose ​​savaime susirenkančio polimerinio elektrolito pusėse, kurią sukūrė Paula Hammond*, kita svarbi projekto dalininkė. Taip būtų sukurtos ne tik elektrodai, o patys surinktos baterijos. Kitas tikslas – sukurti tarpusavyje sujungtas baterijas, kuriose neigiamos ir teigiamos elektrodų medžiagos pakaitomis keistųsi, pavyzdžiui, dviejų kartu sustumtų šukų virbalai – tai galėtų sukaupti daugiau energijos ir sukelti baterijas, kurios tą energiją tiektų galingesniais sprogimais.

Ir baterijos gali būti tik pradžia. Kadangi virusai turi skirtingus baltymus skirtingose ​​vietose – vienas baltymas centre ir kiti galuose – mokslininkai gali sukurti virusus, kurie jungiasi prie vienos medžiagos viduryje ir skirtingų medžiagų galuose. Jau dabar Belcherio grupė gamino virusus, kurie apsitraukia puslaidininkiais, o po to galuose prisitvirtina prie auksinių elektrodų, todėl gali pradėti veikti tranzistoriai.

Jei tokiu būdu galite pagaminti tikrai efektyvias baterijas, tiesiog nesuvokiama, kokios tai gali būti taikomos, sako Iversonas.

* Pataisymas : Viruso baterijos darbas buvo MIT mokslininkų bendradarbiavimo rezultatas. Pradiniame straipsnyje minima Angela Belcher ir Yet-Ming Chiang. Svarbi šio darbo dalis buvo MIT chemijos inžinerijos profesorės Paulos Hammond sukurtas savaime susirenkantis polimerinis elektrolitas.

Pagrindinio puslapio vaizdas suteiktas Angelos Belcher, MIT.

paslėpti