Dårlig virus taget godt i brug:Banebrydende batterier

(PhysOrg.com)-Vira har en dårlig rep-og det er med rette. En viruss evne til hurtigt og præcist at replikere sig selv gør den til en destruktiv plage for både dyr og planter. Nu er et tværfagligt team af forskere ved University of Marylands A. James Clark School of Engineering og College of Agriculture and Natural Resources, samlet af professor Reza Ghodssi, vender bordet, udnytte og udnytte virusets "selvfornyende" og "selvsamlende" egenskaber til et højere formål:at bygge en ny generation af små, kraftfulde og yderst effektive batterier og brændselsceller.

Den stive, stavformet Tobaksmosaikvirus (TMV), som under et elektronmikroskop ligner ubehandlet spaghetti, er en velkendt og udbredt plantevirus, der ødelægger tobak, tomater, peberfrugter, og anden vegetation. Men i laboratoriet, ingeniører har opdaget, at de kan udnytte egenskaberne ved TMV til at bygge små komponenter til fremtidens lithium -ion -batterier. De kan ændre TMV -stængerne til at binde vinkelret på den metalliske overflade af en batterielektrode og arrangere stængerne i indviklede og ordnede mønstre på elektroden. Derefter, de dækker stængerne med en ledende tynd film, der fungerer som en strømopsamler og til sidst batteriets aktive materiale, der deltager i de elektrokemiske reaktioner.

Som resultat, forskerne kan i høj grad øge elektrodeoverfladen og dens kapacitet til at lagre energi og muliggøre hurtige opladnings-/afladningstider. TMV bliver inert under fremstillingsprocessen; de resulterende batterier overfører ikke virussen. De nye batterier, imidlertid, have op til en 10-fold stigning i energikapacitet i forhold til et standard litiumionbatteri.

"De resulterende batterier er et spring fremad på mange måder og vil være ideelle til brug ikke kun i små elektroniske enheder, men i nye applikationer, der hidtil har været begrænset af størrelsen på det nødvendige batteri, sagde Ghodssi, direktør for Institute for System Research og Herbert Rabin professor i elektrisk og computerteknik på Clark School. "Den teknologi, vi har udviklet, kan bruges til at producere energilagringsenheder til integrerede mikrosystemer såsom trådløse sensornetværk. Disse systemer skal være virkelig små i størrelse-millimeter eller sub-millimeter-så de kan indsættes i store numre i fjerntliggende miljøer til applikationer som hjemlandssikkerhed, landbrug, miljøovervågning og mere; for at drive disse enheder, der kræves lige små batterier, uden at gå på kompromis med ydeevnen. "

TMVs nanostruktur er den ideelle størrelse og form til brug som en skabelon til opbygning af batterielektroder. Dens selvreplikerende og selvsamlende biologiske egenskaber frembringer strukturer, der er både indviklede og ordnede, hvilket øger strøm og lagerkapacitet for de batterier, der indeholder dem. Fordi TMV kan programmeres til at binde direkte til metal, de resulterende komponenter er lettere, stærkere og billigere end konventionelle dele.

Tre forskellige trin er involveret i fremstilling af et TMV-baseret batteri:modificering, formering og fremstilling af TMV; behandling af TMV til at dyrke nanoroder på en metalplade; og inkorporering af de nanorodbelagte plader i færdige batterier. Det tager et tværfagligt team af UM -forskere og deres studerende at gøre hvert trin muligt.

James Culver, medlem af Institut for Biovidenskab og Bioteknologi og professor ved Institut for Plantevidenskab og Landskabsarkitektur, og forsker Adam Brown havde allerede udviklet genetiske modifikationer af TMV, der gør det muligt at belægge det kemisk med ledende metaller. Til dette projekt udtrækker de nok af den skræddersyede virus fra blot et par tobaksplanter, der dyrkes i laboratoriet, til at syntetisere hundredvis af batterielektroder. Den ekstraherede TMV er derefter klar til det næste trin.

Forskere producerer en skov af lodret justerede virusstænger ved hjælp af en proces udviklet af Culvers tidligere ph.d. studerende, Elizabeth Royston. En opløsning af TMV påføres en metalelektrodeplade. De genetiske modifikationer programmerer den ene ende af den stavformede virus til at vedhæfte til pladen. Derefter er disse virusskove kemisk belagt med et ledende metal, hovedsageligt nikkel. Bortset fra dens struktur, der er ingen spor af virussen i det færdige produkt, som ikke kan overføre en virus til hverken planter eller dyr. Denne proces er patentanmeldt.

Ghodssi, materialevidenskab Ph.D. studerende Konstantinos Gerasopoulos, og tidligere postdoktor Matthew McCarthy (nu et fakultetsmedlem ved Drexel University) har brugt denne metalbelægningsteknik til at fremstille alkaliske batterier med almindelige teknikker fra halvlederindustrien, såsom fotolitografi og tyndfilmaflejring.

Mens den første generation af deres enheder brugte de nikkelbelagte vira til elektroderne, arbejde, der blev offentliggjort tidligere på året, undersøgte muligheden for at strukturere elektroder med det aktive materiale afsat oven på hver nikkelbelagt nanorod, danner en kerne/skal -nanokomposit, hvor hver TMV -partikel indeholder en ledende metalkerne og en aktiv materialeskal. I samarbejde med Chunsheng Wang, professor i Institut for Kemisk og Biomolekylær Teknik, og hans ph.d. studerende Xilin Chen, forskerne har udviklet flere teknikker til at danne nanokompositter af silicium og titandioxid på den metaliserede TMV -skabelon. Denne arkitektur både stabiliserer det skrøbelige, belægning af aktivt materiale og giver den en direkte forbindelse til batterielektroden.

I det tredje og sidste trin, Chen og Gerasopoulos samler disse elektroder i de eksperimentelle lithium-ion-batterier med høj kapacitet. Deres kapacitet kan være flere gange højere end bulkmaterialer og for silicium, højere end de nuværende kommercielle batterier.

"Virusaktiverede nanorodstrukturer er skræddersyet til at øge mængden af ​​energi, batterier kan lagre. De giver en stigning i størrelsesorden i overfladeareal, stabilisere de samlede materialer og øge ledningsevnen, hvilket resulterer i en op til 10 gange stigning i energikapaciteten i forhold til et standard lithiumionbatteri, "Sagde Wang.

En bonus:da TMV binder metal direkte til den ledende overflade, når strukturerne dannes, ingen andre bindende eller ledende midler er nødvendige som i de traditionelle blækstøbningsteknologier, der bruges til fremstilling af elektroder.

"Vores metode er unik ved, at den involverer direkte fremstilling af elektroden på den aktuelle kollektor; dette gør batteriets effekt højere, og dets cyklusliv længere, "sagde Wang.

Brugen af ​​TMV -viruset ved fremstilling af batterier kan skaleres op til at opfylde industrielle produktionsbehov. "Processen er enkel, billig, og kan fornyes, "Tilføjer Culver." I gennemsnit er en acre tobak kan producere cirka 2, 100 kilo bladvæv, giver cirka et pund TMV pr. pund inficerede blade, "forklarer han.

På samme tid, meget små mikrobatterier kan produceres ved hjælp af denne teknologi. "Vores elektrodesynteseteknik, TMV's høje overfladeareal og evnen til at mønstre disse materialer ved hjælp af processer, der er kompatible med mikrofabrikation, muliggør udviklingen af ​​sådanne miniaturiserede batterier, "Tilføjer Gerasopoulos.

Mens dette forskerholds fokus længe har været på energilagring, Den strukturelle alsidighed i TMV -skabelonen gør det muligt at bruge den i en række spændende applikationer. "Denne kombination af bottom-up biologisk selvsamling og top-down produktion er ikke begrænset til kun batteriudvikling, "Sagde Ghodssi." Et af vores labs igangværende projekter sigter mod udvikling af eksplosive detektionssensorer ved hjælp af versioner af TMV, der binder TNT selektivt, øge sensorens følsomhed. Parallelt, vi samarbejder med vores kolleger på Drexel og MIT om at konstruere overflader, der ligner strukturen af ​​planteblade. Disse biomimetiske strukturer kan bruges til videnskabelige grundlæggende undersøgelser samt udvikling af nye vandafvisende overflader og mikro/nanoskala varmeledninger. "