Обученные вирусы варят в кастрюле литий-ионные аккумуляторы
Много лет развитие литиевых аккумуляторов идёт по пути совершенствования электродов. Кажется, что тут перепробовали всё.
Но учёные из США смогли по-настоящему удивить мир, приспособив для такой несвойственной им роли вирусы.
Профессор Анжела Белчер (Angela Belcher) из Массачусетского технологического института (MIT) и её научная группа – лаборатория биомолекулярных материалов (MIT Biomolecular Materials Laboratory) заняты делом воистину удивительным. Они превращают вирусы в маленьких рабочих на невидимой для глаз фабрике.
Ряд вирусов обладает способностью «прилипать» к наночастичкам из неорганических материалов – строго определённых веществ. Точнее, эту связь обеспечивают специфические белки на поверхности вируса.
Этим интересным свойством вирусов и воспользовалась Анжела и её подчинённые, чтобы «нанять» микроскопических помощников к себе на работу.
Главное тут – научиться управлять процессом прилипания. Как только американские учёные разобрались, какие белки — какие неорганические элементы привлекают – они просто применили генную инженерию, чтобы модифицировать существующие вирусы под свои нужды.
Анжела Белчер научила вирусы собирать самые разнообразные наноструктуры (фото с сайта dmse.mit.edu).
Проект синтеза вирусами литий-ионной батареи, пожалуй, является одним из самых ярких в череде исследований группы.
Белчер использовала хорошо известный вирус M13. Добавляя последовательности нуклеотидов к ДНК этого вируса, исследователи создали его модификацию, которая при размножении в клетке синтезирует специфические белки, страсть как «обожающие» ионы кобальта.
Дальше поступили так. Взяли пластину из твёрдого полимера-электролита (это один из ключевых элементов самых совершенных на сегодняшний день аккумуляторов – литий-полимерных) и опустили в раствор из таких вирусов.
Вирусы охотно налипли на полимере. Тогда пластину опустили в раствор с ионами кобальта, которые прилипли к вирусам, а, в конечном счёте, после реакции с водой, образовали слой оксида кобальта – передового материала для электрода литий-ионных и литий-полимерных батарей.
Эта удивительная работа Белчер и её коллег, как из её собственной группы, так и соавторов из других институтов опубликована в журнале Science.
Схема процесса сборки элементов литиевой батареи вирусами М13 (иллюстрация Angela Belcher/MIT).
Но, спросите вы, зачем такие сложности, если можно просто изготовить пластинку из оксида кобальта?
Всё дело в форме поверхности на микроуровне. Она должна быть не гладкой, а максимально пористой, рыхлой, с огромной суммарной площадью – от этого напрямую зависит удельная ёмкость и мощность батареи.
Вирусы образовали регулярную кристаллическую структуру, также упаковав и молекулы оксида кобальта. Так что параметры опытной батареи, которую исследователи собрали на основе своего «вирусного» электрода, оказались вдвое выше обычной.
И ещё на 30% удалось поднять плотность энергии, добавив к вирусу фрагмент ДНК, обеспечивающий синтез белка, привлекающего частицы золота.
Пока, разумеется, метод не пригоден для массового производства батарей. Это лишь опыт, показывающий возможное направление развития данной отрасли.
Однако тут есть заманчивые перспективы. Сами вирусы можно размножать в огромных количествах. Процесс сборки вирусами электрода, вырастающего прямо на разделяющем электроды твёрдом электролите, идёт при комнатной температуре.
И вирусы можно ещё модифицировать, обучая их сборке самых разных веществ.
Схема фага М13. Чёрные нити справа – ДНК в белковой оболочке (иллюстрация с сайта ucm.es).
Тут, поясняют авторы исследования, подходит известный метод «направленной эволюции». Берут кучу вирусов со случайными изменениями в коде и помещают их в раствор нужного вещества.
Затем выделяют из пробирки это вещество, а из него – прицепившиеся вирусы – те, кто лучше всех с ними соединился.
Им дают размножиться, а потом снова выпускают в раствор с целевым веществом – опять отсеивают горсть самых удачных и опять размножают их. Так, через несколько поколений вирусов, и выводится «порода» с самым сильным прилипанием к заданным частицам.
Теоретически вирусы можно заставить собирать не только один электрод, но и всю батарею. С высочайшими удельными параметрами.
Но самое интересное – данный метод может быть распространён и на другие продукты для электронной отрасли.
Так как вирусы имеют различные белки в разных местах, исследователи могут создать вирусы, которые будут связываться с одним материалом в середине и другими материалами — на своих концах.
Группа Белчер уже произвела вирусы, которые покрывают себя полупроводниками, а затем присоединяются к золотым электродам.
Эти опыты могут, в конечном счёте, привести к сборке с помощью вирусов россыпей транзисторов. И, чего уж ограничивать фантазию – целых микросхем.
🔋Как перевести шуруповёрт на литиевые аккумуляторы, подробный гайд
