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Microbatterie assemblate con virus
Poiché i dispositivi elettronici sono sempre più piccoli, c'è una crescente domanda di fonti di energia altrettanto minuscole. Ora i ricercatori del MIT hanno segnalato un importante progresso verso la costruzione di batterie così microscopiche. Hanno usato un virus per assemblare anodi sopra strati di elettroliti, due dei tre componenti principali di una batteria funzionante, e li hanno collegati a superfici che raccolgono corrente. I componenti, descritti questa settimana in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , sono larghi solo quattro micrometri e potrebbero trovare applicazione nei laboratori su un chip o altri piccoli dispositivi medici, affermano i ricercatori.
Imballaggio di potenza: I ricercatori del MIT hanno creato microbatterie basate su virus stampate su quattro bande di platino, viste espandersi verso sinistra. Due file di elettrodi della batteria, troppo piccole per essere viste qui, sono allineate sull'estremità affusolata di ciascuna banda di platino e coperte con un foglio di litio per i test elettrici.
La costruzione di batterie microscopiche si è rivelata difficile in passato perché la proporzione di materiale elettrochimicamente attivo all'interno di una batteria diminuisce al diminuire delle sue dimensioni. Un'altra tendenza nell'elettronica è quella di modellare i dispositivi su superfici flessibili o curve, a cui le fonti di alimentazione devono essere in grado di adattarsi. Il lavoro del MIT suggerisce che batterie piccole e affidabili possono essere sia realizzate su scala microscopica che incorporate su una varietà di superfici.
La novità di questa ricerca è sia la dimensione [degli elettrodi della batteria] sia il processo che abbiamo utilizzato per posizionarli, afferma Angela Belcher , un professore di scienza dei materiali al MIT, che ha collaborato con i colleghi Eppure-Ming Chiang e Paula Hammond sul lavoro. Hanno iniziato incidendo colonne larghe quattro micrometri e alte pochi micrometri su una superficie a base di silicio per creare efficacemente uno stampo. Hanno quindi depositato strati alternati di due diversi polimeri, che fungevano da elettrolita solido e separatore della batteria, sopra queste colonne.
Successivamente, un virus chiamato M13 , che i ricercatori hanno impiegato in precedenti studi sull'autoassemblaggio , è stato utilizzato per realizzare l'anodo. Il virus è costituito da proteine, che possono essere geneticamente modificate per reagire con particolari sostanze. In questo caso, ha generato array strutturati di nanofili di ossido di cobalto sopra l'elettrolita solido. Infine, gli elettrodi assemblati sono stati capovolti e premuti su sottili bande di platino, che sono state unite a un contatto di rame per raccogliere corrente dal dispositivo.
I ricercatori hanno testato le prestazioni del dispositivo utilizzando uno strato di lamina di litio e hanno scoperto che la qualità degli elettrodi è esattamente la stessa di prima, afferma Belcher, riferendosi alle precedenti dimostrazioni del gruppo di batterie assemblate con virus più grandi. Aggiunge che l'anodo di ossido di cobalto ha una capacità di immagazzinamento della carica molto più elevata rispetto agli elettrodi a base di carbonio tipicamente utilizzati nelle batterie agli ioni di litio e che è stabile durante la carica e la scarica. Ha anche una maggiore densità di materiale attivo rispetto alle batterie convenzionali.
Altri vantaggi dell'assemblaggio dei virus includono il funzionamento a temperatura ambiente e il controllo preciso delle dimensioni e della spaziatura dei nanomateriali, che porta a dispositivi uniformi e facilmente riproducibili. Il prossimo obiettivo dei ricercatori è aggiungere un catodo assemblato da virus per creare una batteria completa. Poiché hanno sperimentato materiali diversi e hanno fabbricato catodi su scala più ampia, Belcher afferma che è sicuramente possibile incorporare micro catodi nel metodo di stampa. In futuro, aggiunge, lavoreranno verso dispositivi con una maggiore densità di energia e creando dispositivi biocompatibili.