Batterie assemblate con virus

Più della metà del peso e delle dimensioni delle batterie odierne deriva da materiali di supporto che non contribuiscono a immagazzinare energia. Ora i ricercatori hanno dimostrato che i virus geneticamente modificati possono assemblare i materiali della batteria attiva in una struttura compatta e regolare, per creare un elettrodo della batteria ultrasottile e trasparente che immagazzina quasi tre volte più energia di quelli delle batterie agli ioni di litio di oggi. È il primo passo verso batterie autoassemblanti ad alta capacità.

Le applicazioni potrebbero includere batterie ad alta energia laminate in modo invisibile su schermi piatti in telefoni cellulari e laptop o conformate per adattarsi agli apparecchi acustici. La stessa tecnica di assemblaggio potrebbe anche portare a catalizzatori e pannelli solari più efficaci, secondo i ricercatori del MIT che hanno sviluppato la tecnologia, consentendo di controllare con precisione le posizioni dei materiali inorganici.

La maggior parte di questo è stato fatto attraverso la manipolazione genetica, dando a un organismo che normalmente non farebbe elettrodi per batterie le informazioni per creare un elettrodo per batterie e per assemblarlo in un dispositivo, dice Angela Belcher, ricercatrice del progetto e professore di ingegneria del MIT. scienza e ingegneria dei materiali e ingegneria biologica. Il mio sogno è avere una sequenza di DNA che codifica per la sintesi dei materiali, e poi estrarre da un becher un dispositivo. E penso che questo sia un grande passo lungo quel percorso.

I ricercatori, nel lavoro riportato online questa settimana in Scienza , hanno utilizzato i virus M13 per realizzare l'elettrodo positivo di una batteria agli ioni di litio, che hanno testato con un elettrodo negativo convenzionale. Il virus è costituito da proteine, la maggior parte delle quali si arrotolano per formare un cilindro lungo e sottile. Aggiungendo sequenze di nucleotidi al DNA del virus, i ricercatori hanno diretto la formazione di queste proteine ​​con un amminoacido aggiuntivo che si lega agli ioni cobalto. I virus con queste nuove proteine ​​si rivestono quindi di ioni di cobalto in una soluzione, che alla fine porta, dopo reazioni con l'acqua, all'ossido di cobalto, un materiale avanzato per batterie con una capacità di stoccaggio molto più elevata rispetto ai materiali a base di carbonio ora utilizzati negli ioni di litio. batterie.

Per realizzare un elettrodo, i ricercatori hanno prima immerso un elettrolita polimerico in una soluzione di virus ingegnerizzati. I virus si assemblano in un rivestimento uniforme sull'elettrolita. Questo elettrolita rivestito viene quindi immerso in una soluzione contenente materiali della batteria. I virus organizzano questi materiali in una struttura cristallina ordinata adatta alle batterie ad alta densità.

[ Fare clic qui per un'illustrazione del processo di formazione della batteria.]

Questi elettrodi hanno dimostrato di avere il doppio della capacità di quelli a base di carbonio. Per migliorare ulteriormente, i ricercatori si sono nuovamente rivolti all'ingegneria genetica. Pur mantenendo il codice genetico per l'assemblaggio del cobalto, hanno aggiunto un ulteriore filamento di DNA che produce proteine ​​virali che si legano all'oro. I virus si sono quindi assemblati come nanofili composti sia da ossido di cobalto che da particelle d'oro, e gli elettrodi risultanti hanno immagazzinato il 30% di energia in più.

L'utilizzo di virus per assemblare materiali inorganici ha diversi vantaggi, afferma Daniel Morse, professore di genetica molecolare e biochimica presso l'Università della California, Santa Barbara. Innanzitutto, il posizionamento delle proteine ​​e del cobalto e dell'oro che si legano ad esse è preciso. Il virus può anche riprodursi rapidamente, fornendo molto materiale di partenza, suggerendo che si tratta di una tecnica di produzione che potrebbe espandersi rapidamente. E questo metodo di assemblaggio non richiede i costosi processi ora utilizzati per realizzare i materiali delle batterie.

Potresti farlo a livello industriale molto rapidamente, afferma Brent Iverson, professore di chimica organica e biochimica all'Università del Texas ad Austin. Non riesco a immaginare un modo per modellare o impalcare le nanoparticelle in modo più economico.

Eppure-Ming Chiang, professore di scienza dei materiali e ingegneria al MIT e uno dei collaboratori di Belcher, afferma che, mentre le piccole batterie progettate per applicazioni specifiche potrebbero essere realizzate utilizzando questo processo entro un paio d'anni, resta ancora molto lavoro da fare. Ad esempio, l'ossido di cobalto potrebbe non essere il materiale migliore, quindi i ricercatori progetteranno virus per legarsi ad altri materiali.

Uno dei modi in cui lo hanno fatto in passato è stato l'utilizzo di un processo chiamato evoluzione diretta. Combinano raccolte di virus con milioni di variazioni casuali in una fiala contenente un pezzo del materiale a cui vogliono che il virus si leghi. Alcuni virus hanno proteine ​​che si legano al materiale. Isolare questi virus è un semplice processo di lavaggio del pezzo di materiale: rimangono solo quei virus legati al materiale. Questi possono quindi essere autorizzati a riprodursi. Dopo alcuni cicli di legatura e lavaggio, rimangono solo i virus con la massima affinità per il materiale.

I ricercatori vogliono anche creare virus che assemblano anche l'elettrodo negativo. Quindi farebbero crescere gli elettrodi positivo e negativo sui lati opposti di un elettrolita polimerico autoassemblante sviluppato da Paula Hammond*, un altro importante contributore al progetto. Ciò creerebbe batterie autoassemblate, non solo elettrodi. Un altro obiettivo è realizzare batterie interdigitate in cui si alternano i materiali degli elettrodi negativi e positivi, come i rebbi di due pettini spinti insieme: questo potrebbe accumulare più energia e portare a batterie che forniscono quell'energia in raffiche più potenti.

E le batterie potrebbero essere solo l'inizio. Poiché i virus hanno proteine ​​diverse in posizioni diverse - una proteina al centro e altre alle estremità - i ricercatori possono creare virus che si legano a un materiale nel mezzo e a materiali diversi alle estremità. Il gruppo di Belcher ha già prodotto virus che si ricoprono di semiconduttori e poi si attaccano alle estremità a elettrodi d'oro, il che potrebbe portare a transistor funzionanti.

Se riesci a creare batterie davvero efficaci in questo modo, è semplicemente sbalorditivo quali potrebbero essere le applicazioni, afferma Iverson.

* Correzione : Il lavoro virus-batteria è stato il risultato di una collaborazione tra ricercatori del MIT. L'articolo originale cita Angela Belcher e Yet-Ming Chiang. Una parte importante di questo lavoro è stato lo sviluppo di un elettrolita polimerico autoassemblante da Paula Hammond, professore di ingegneria chimica del MIT.

Immagine della home page per gentile concessione di Angela Belcher, MIT.

nascondere