Ar vīrusu saliktas baterijas

Vairāk nekā puse no mūsdienu akumulatoru svara un izmēra nāk no atbalsta materiāliem, kas nekādi neveicina enerģijas uzkrāšanu. Tagad pētnieki ir pierādījuši, ka ģenētiski modificēti vīrusi var apkopot aktīvos akumulatora materiālus kompaktā, regulārā struktūrā, lai izveidotu īpaši plānu, caurspīdīgu akumulatora elektrodu, kas uzglabā gandrīz trīs reizes vairāk enerģijas nekā mūsdienu litija jonu akumulatoros. Tas ir pirmais solis ceļā uz lielas ietilpības, pašmontējamiem akumulatoriem.

Lietojumprogrammas varētu ietvert augstas enerģijas baterijas, kas neredzami laminētas uz mobilo tālruņu un klēpjdatoru plakanajiem ekrāniem vai pielāgotas dzirdes aparātiem. Saskaņā ar MIT pētniekiem, kuri izstrādāja šo tehnoloģiju, šī pati montāžas tehnika varētu radīt efektīvākus katalizatorus un saules paneļus, ļaujot precīzi kontrolēt neorganisko materiālu pozīcijas.

Lielākā daļa no tā tika veikta ar ģenētisku manipulāciju palīdzību, sniedzot organismam, kas parasti neizgatavo akumulatoru elektrodus, informāciju, lai izveidotu akumulatora elektrodu un saliktu to ierīcē, saka Angela Belcher, projekta pētniece un MIT profesore. materiālu zinātne un inženierija un bioloģiskā inženierija. Mans sapnis ir iegūt DNS sekvenci, kas kodē materiālu sintēzi, un pēc tam no vārglāzes izvilkt ierīci. Un es domāju, ka tas ir liels solis šajā ceļā.

Pētnieki šonedēļ ziņoja tiešsaistē Zinātne , izmantoja M13 vīrusus, lai izveidotu litija jonu akumulatora pozitīvo elektrodu, ko viņi pārbaudīja ar parasto negatīvo elektrodu. Vīruss ir izgatavots no olbaltumvielām, no kurām lielākā daļa saritinās, veidojot garu, plānu cilindru. Pievienojot vīrusa DNS nukleotīdu sekvences, pētnieki lika šiem proteīniem veidoties ar papildu aminoskābi, kas saistās ar kobalta joniem. Pēc tam vīrusi ar šiem jaunajiem proteīniem pārklājas ar kobalta joniem šķīdumā, kas pēc reakcijas ar ūdeni galu galā noved pie kobalta oksīda, uzlabota akumulatora materiāla ar daudz lielāku uzglabāšanas jaudu nekā materiāliem, kuru pamatā ir ogleklis, ko tagad izmanto litija jonos. baterijas.

Lai izgatavotu elektrodu, pētnieki vispirms iemērc polimēra elektrolītu inženierijas vīrusu šķīdumā. Vīrusi uz elektrolīta izveido vienotu pārklājumu. Šo pārklāto elektrolītu pēc tam iemērc šķīdumā, kas satur akumulatora materiālus. Vīrusi sakārto šos materiālus sakārtotā kristāla struktūrā, kas ir piemērota augsta blīvuma baterijām.

[ Noklikšķiniet šeit, lai skatītu akumulatora veidošanas procesa ilustrāciju.]

Izrādījās, ka šiem elektrodiem ir divreiz lielāka ietilpība nekā uz oglekli balstītiem elektrodiem. Lai to vēl vairāk uzlabotu, pētnieki atkal pievērsās gēnu inženierijai. Saglabājot kobalta komplekta ģenētisko kodu, viņi pievienoja papildu DNS virkni, kas ražo vīrusu proteīnus, kas saistās ar zeltu. Pēc tam vīrusi tika salikti kā nanovadi, kas sastāvēja no kobalta oksīda un zelta daļiņām, un iegūtie elektrodi uzglabāja par 30 procentiem vairāk enerģijas.

Vīrusu izmantošanai neorganisku materiālu savākšanai ir vairākas priekšrocības, saka Daniels Mors, Kalifornijas Universitātes Santabarbaras molekulārās ģenētikas un bioķīmijas profesors. Pirmkārt, proteīnu un ar tiem saistīto kobalta un zelta izvietojums ir precīzs. Vīruss var arī ātri vairoties, nodrošinot daudz izejmateriālu, kas liecina, ka šī ir ražošanas tehnika, kas varētu ātri palielināties. Un šai montāžas metodei nav nepieciešami dārgi procesi, ko tagad izmanto akumulatoru materiālu izgatavošanai.

Rūpnieciskā līmenī to varētu izdarīt ļoti ātri, saka Brents Aiversons, Teksasas Universitātes Ostinā, organiskās ķīmijas un bioķīmijas profesors. Es nevaru iedomāties lētāku veidu, kā veidot vai sastatnes nanodaļiņas.

Tomēr MIT materiālu zinātnes un inženierzinātņu profesors un viens no Belčera līdzstrādniekiem Mings Čiangs saka, ka, lai gan nelielas akumulatorus, kas paredzēti īpašiem lietojumiem, varētu izgatavot, izmantojot šo procesu, pāris gadu laikā, vēl ir daudz darāmā. Piemēram, kobalta oksīds varētu nebūt labākais materiāls, tāpēc pētnieki izstrādās vīrusus, lai tie varētu saistīties ar citiem materiāliem.

Viens no veidiem, kā viņi to ir darījuši pagātnē, ir izmantot procesu, ko sauc par virzītu evolūciju. Tie apvieno vīrusu kolekcijas ar miljoniem nejaušu variāciju flakonā, kurā ir materiāla gabals, ar kuru viņi vēlas, lai vīruss saistās. Dažiem vīrusiem ir olbaltumvielas, kas saistās ar materiālu. Šo vīrusu izolēšana ir vienkāršs materiāla gabala nomazgāšanas process – paliek tikai tie vīrusi, kas ir saistīti ar materiālu. Pēc tam tiem var ļaut vairoties. Pēc dažām saistīšanas un mazgāšanas kārtām paliek tikai vīrusi ar visaugstāko afinitāti pret materiālu.

Pētnieki arī vēlas izveidot vīrusus, kas apkopo arī negatīvo elektrodu. Pēc tam viņi audzētu pozitīvos un negatīvos elektrodus pašmontējošā polimēra elektrolīta pretējās pusēs, ko izstrādājusi Paula Hammond*, vēl viens nozīmīgs projekta līdzstrādnieks. Tas radītu pašmontētas baterijas, nevis tikai elektrodus. Vēl viens mērķis ir izveidot savstarpēji savienotus akumulatorus, kuros mijas negatīvie un pozitīvie elektrodu materiāli, piemēram, divu kopā saspiestu ķemmes zari — tādējādi varētu iegūt vairāk enerģijas un radīt baterijas, kas šo enerģiju piegādā jaudīgākos uzliesmojumos.

Un baterijas varētu būt tikai sākums. Tā kā vīrusiem dažādās vietās ir dažādi proteīni – viens proteīns centrā un citi galos – pētnieki var radīt vīrusus, kas saistās ar vienu materiālu vidū un dažādiem materiāliem galos. Jau tagad Belčera grupa ir radījusi vīrusus, kas pārklājas ar pusvadītājiem un pēc tam galos piestiprina pie zelta elektrodiem, kas var novest pie darba tranzistoriem.

Ja jūs varat izveidot patiesi efektīvas baterijas šādā veidā, tas ir vienkārši neaptverami, kādas varētu būt lietojumprogrammas, saka Aiversons.

* Labojums : Vīrusu bateriju darbs bija MIT pētnieku sadarbības rezultāts. Sākotnējā rakstā ir minēta Angela Belcher un Yet-Ming Chiang. Svarīga šī darba daļa bija MIT ķīmiskās inženierijas profesores Paulas Hamondas izstrādātais pašmontējamā polimēra elektrolīta izstrāde.

Mājas lapas attēlu sniedza Angela Belcher, MIT.

paslēpties