Virus-geassembleerde batterijen

Meer dan de helft van het gewicht en de grootte van de huidige batterijen is afkomstig van ondersteunende materialen die niets bijdragen aan de opslag van energie. Nu hebben onderzoekers aangetoond dat genetisch gemanipuleerde virussen actieve batterijmaterialen kunnen assembleren tot een compacte, regelmatige structuur, om een ​​ultradunne, transparante batterij-elektrode te maken die bijna drie keer zoveel energie opslaat als die in de huidige lithium-ionbatterijen. Het is de eerste stap naar zelfassemblerende batterijen met een hoge capaciteit.

Toepassingen zijn onder meer energierijke batterijen die onzichtbaar zijn gelamineerd op platte schermen in mobiele telefoons en laptops of die zijn aangepast aan hoortoestellen. Dezelfde assemblagetechniek zou volgens de MIT-onderzoekers die de technologie ontwikkelden ook kunnen leiden tot effectievere katalysatoren en zonnepanelen, door de positie van anorganische materialen fijn te regelen.

Het meeste werd gedaan door genetische manipulatie - een organisme dat normaal geen batterij-elektroden zou maken de informatie geven om een ​​batterij-elektrode te maken en deze in een apparaat te assembleren, zegt Angela Belcher, een onderzoeker van het project en een MIT-professor van materiaalwetenschap en techniek en biologische techniek. Mijn droom is om een ​​DNA-sequentie te hebben die codeert voor de synthese van materialen, en dan uit een beker een apparaat te halen. En ik denk dat dit een grote stap op dat pad is.

De onderzoekers rapporteerden deze week online in Wetenschap , gebruikten M13-virussen om de positieve elektrode van een lithium-ionbatterij te maken, die ze testten met een conventionele negatieve elektrode. Het virus is gemaakt van eiwitten, waarvan de meeste zich oprollen tot een lange, dunne cilinder. Door sequenties van nucleotiden aan het DNA van het virus toe te voegen, lieten de onderzoekers deze eiwitten vormen met een extra aminozuur dat zich bindt aan kobaltionen. De virussen met deze nieuwe eiwitten bekleden zichzelf vervolgens met kobaltionen in een oplossing, wat uiteindelijk, na reacties met water, leidt tot kobaltoxide, een geavanceerd batterijmateriaal met een veel hogere opslagcapaciteit dan de op koolstof gebaseerde materialen die nu in lithium-ion worden gebruikt batterijen.

Om een ​​elektrode te maken, dopen de onderzoekers eerst een polymeerelektrolyt in een oplossing van gemanipuleerde virussen. De virussen assembleren tot een uniforme coating op de elektrolyt. Deze gecoate elektrolyt wordt vervolgens ondergedompeld in een oplossing die batterijmaterialen bevat. De virussen rangschikken deze materialen in een geordende kristalstructuur die goed is voor batterijen met een hoge dichtheid.

[ Klik hier voor een illustratie van het batterijvormingsproces.]

Deze elektroden bleken twee keer de capaciteit te hebben van op koolstof gebaseerde elektroden. Om dit verder te verbeteren, wendden de onderzoekers zich opnieuw tot genetische manipulatie. Terwijl ze de genetische code voor de kobaltsamenstelling behielden, voegden ze een extra DNA-streng toe die viruseiwitten produceert die aan goud binden. De virussen werden vervolgens geassembleerd als nanodraden bestaande uit zowel kobaltoxide als gouddeeltjes - en de resulterende elektroden sloegen 30 procent meer energie op.

Het gebruik van virussen om anorganische materialen samen te stellen heeft verschillende voordelen, zegt Daniel Morse, hoogleraar moleculaire genetica en biochemie aan de Universiteit van Californië, Santa Barbara. Ten eerste is de plaatsing van de eiwitten, en het kobalt en goud dat eraan bindt, nauwkeurig. Het virus kan zich ook snel vermenigvuldigen, waardoor er voldoende uitgangsmateriaal is, wat suggereert dat dit een fabricagetechniek is die snel kan worden opgeschaald. En deze assemblagemethode vereist niet de dure processen die nu worden gebruikt om batterijmaterialen te maken.

Op industrieel niveau zou je dat heel snel kunnen doen, zegt Brent Iverson, hoogleraar organische chemie en biochemie aan de Universiteit van Texas in Austin. Ik kan me geen manier voorstellen om nanodeeltjes goedkoper te maken of te scaffolden.

Yet-Ming Chiang, professor materiaalwetenschappen en techniek aan het MIT en een van de medewerkers van Belcher, zegt dat, hoewel kleine batterijen die zijn ontworpen voor specifieke toepassingen binnen een paar jaar met dit proces kunnen worden gemaakt, er nog veel werk moet worden verzet. Kobaltoxide is bijvoorbeeld misschien niet het beste materiaal, dus de onderzoekers zullen virussen ontwikkelen om zich aan andere materialen te binden.

Een van de manieren waarop ze dit in het verleden hebben gedaan, is het gebruik van een proces dat gerichte evolutie wordt genoemd. Ze combineren verzamelingen virussen met miljoenen willekeurige variaties in een flesje met een stukje van het materiaal waaraan ze het virus willen binden. Sommige virussen hebben toevallig eiwitten die zich aan het materiaal binden. Het isoleren van deze virussen is een eenvoudig proces waarbij het stuk materiaal wordt weggewassen - alleen de virussen die aan het materiaal zijn gebonden, blijven over. Deze kunnen dan worden toegestaan ​​om te reproduceren. Na een paar ronden van binden en wassen, blijven alleen virussen met de hoogste affiniteit voor het materiaal over.

De onderzoekers willen ook virussen maken die ook de negatieve elektrode assembleren. Vervolgens zouden ze de positieve en negatieve elektroden aan weerszijden van een zelfassemblerend polymeerelektrolyt laten groeien, ontwikkeld door Paula Hammond*, een andere belangrijke bijdrage aan het project. Dit zou zelf-geassembleerde batterijen creëren, niet alleen elektroden. Een ander doel is om interdigitale batterijen te maken waarin negatieve en positieve elektrodematerialen elkaar afwisselen, zoals de tanden van twee kammen die tegen elkaar worden gedrukt - dit kan meer energie bevatten en leiden tot batterijen die die energie in krachtigere bursts leveren.

En batterijen kunnen nog maar het begin zijn. Omdat de virussen op verschillende locaties verschillende eiwitten hebben - één eiwit in het midden en andere aan de uiteinden - kunnen de onderzoekers virussen maken die zich binden aan één materiaal in het midden en verschillende materialen aan de uiteinden. De groep van Belcher heeft al virussen geproduceerd die zichzelf bekleden met halfgeleiders en zich vervolgens aan de uiteinden hechten aan gouden elektroden, wat zou kunnen leiden tot werkende transistors.

Als je op deze manier batterijen kunt maken die echt effectief zijn, is het gewoon verbijsterend wat de toepassingen zouden kunnen zijn, zegt Iverson.

* Correctie : Het virus-batterijwerk was het resultaat van een samenwerking tussen onderzoekers van het MIT. In het originele artikel worden Angela Belcher en Yet-Ming Chiang genoemd. Een belangrijk onderdeel van dit werk was de ontwikkeling van een zelfassemblerend polymeerelektrolyt door Paula Hammond, hoogleraar chemische technologie aan het MIT.

Homepagina-afbeelding met dank aan Angela Belcher, MIT.

zich verstoppen