Mit Viren bestückte Batterien

Mehr als die Hälfte des Gewichts und der Größe heutiger Batterien kommt von Trägermaterialien, die nichts zur Energiespeicherung beitragen. Jetzt haben Forscher gezeigt, dass gentechnisch veränderte Viren aktive Batteriematerialien zu einer kompakten, regelmäßigen Struktur zusammenfügen können, um eine ultradünne, transparente Batterieelektrode herzustellen, die fast dreimal so viel Energie speichert wie in heutigen Lithium-Ionen-Batterien. Es ist der erste Schritt zu selbstaufbauenden Batterien mit hoher Kapazität.

Zu den Anwendungen könnten hochenergetische Batterien gehören, die unsichtbar auf Flachbildschirme in Mobiltelefonen und Laptops laminiert oder an Hörgeräte angepasst sind. Dieselbe Montagetechnik könnte laut den MIT-Forschern, die die Technologie entwickelt haben, auch zu effektiveren Katalysatoren und Sonnenkollektoren führen, indem sie es ermöglichen, die Position anorganischer Materialien fein zu kontrollieren.

Das meiste davon wurde durch genetische Manipulation gemacht – einem Organismus, der normalerweise keine Batterieelektroden herstellen würde, die Informationen zur Herstellung einer Batterieelektrode zu geben und sie zu einem Gerät zusammenzusetzen, sagt Angela Belcher, Forscherin des Projekts und MIT-Professorin für Materialwissenschaft und -technik sowie Biotechnologie. Mein Traum ist es, eine DNA-Sequenz zu haben, die für die Synthese von Materialien kodiert, und dann aus einem Becherglas ein Gerät zu ziehen. Und ich denke, das ist ein großer Schritt auf diesem Weg.



Die Forscher berichteten diese Woche online in der Arbeit in Wissenschaft , nutzten M13-Viren, um die positive Elektrode einer Lithium-Ionen-Batterie herzustellen, die sie mit einer herkömmlichen negativen Elektrode testeten. Das Virus besteht aus Proteinen, von denen die meisten einen langen, dünnen Zylinder bilden. Durch das Hinzufügen von Nukleotidsequenzen zur DNA des Virus leiteten die Forscher diese Proteine ​​​​an, sich mit einer zusätzlichen Aminosäure zu bilden, die an Kobalt-Ionen bindet. Die Viren mit diesen neuen Proteinen umhüllen sich dann mit Kobalt-Ionen in einer Lösung, die schließlich nach Reaktionen mit Wasser zu Kobaltoxid führt, einem fortschrittlichen Batteriematerial mit einer viel höheren Speicherkapazität als die heute in Lithium-Ionen verwendeten kohlenstoffbasierten Materialien Batterien.

erstes echtes Bild eines Schwarzen Lochs

Um eine Elektrode herzustellen, tauchen die Forscher zunächst einen Polymerelektrolyten in eine Lösung aus manipulierten Viren. Die Viren lagern sich zu einer einheitlichen Beschichtung auf dem Elektrolyten zusammen. Dieser beschichtete Elektrolyt wird dann in eine Batteriematerialien enthaltende Lösung getaucht. Die Viren ordnen diese Materialien in einer geordneten Kristallstruktur an, die für hochdichte Batterien gut ist.

[ Klicken Sie hier für eine Illustration des Batteriebildungsprozesses.]

wie weit kann ein mensch sehen

Es zeigte sich, dass diese Elektroden die doppelte Kapazität von auf Kohlenstoff basierenden Elektroden haben. Um dies weiter zu verbessern, wandten sich die Forscher erneut der Gentechnik zu. Unter Beibehaltung des genetischen Codes für die Kobaltanordnung fügten sie einen zusätzlichen DNA-Strang hinzu, der Virusproteine ​​produziert, die an Gold binden. Die Viren setzten sich dann zu Nanodrähten zusammen, die sowohl aus Kobaltoxid- als auch aus Goldpartikeln bestanden – und die resultierenden Elektroden speicherten 30 Prozent mehr Energie.

Die Verwendung von Viren zum Aufbau anorganischer Materialien hat mehrere Vorteile, sagt Daniel Morse, Professor für Molekulargenetik und Biochemie an der University of California, Santa Barbara. Erstens ist die Platzierung der Proteine ​​und des daran bindenden Kobalts und Goldes präzise. Das Virus kann sich auch schnell vermehren und liefert viel Ausgangsmaterial, was darauf hindeutet, dass dies eine Herstellungstechnik ist, die schnell skaliert werden könnte. Und diese Montagemethode erfordert nicht die kostspieligen Prozesse, die heute zur Herstellung von Batteriematerialien verwendet werden.

Auf industrieller Ebene könnte man das sehr schnell machen, sagt Brent Iverson, Professor für organische Chemie und Biochemie an der University of Texas in Austin. Ich kann mir keinen billigeren Weg vorstellen, Nanopartikel als Template oder als Gerüst zu verwenden.

Laut Yet-Ming Chiang, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen am MIT und einer von Belchers Mitarbeitern, könnten zwar innerhalb weniger Jahre kleine Batterien für bestimmte Anwendungen mit diesem Verfahren hergestellt werden, es sei aber noch viel zu tun. Kobaltoxid ist beispielsweise möglicherweise nicht das beste Material, daher werden die Forscher Viren so entwickeln, dass sie an andere Materialien binden.

In der Vergangenheit haben sie dies unter anderem mithilfe eines Prozesses erreicht, der als gerichtete Evolution bezeichnet wird. Sie kombinieren Virensammlungen mit Millionen zufälliger Variationen in einem Fläschchen, das ein Stück des Materials enthält, an das sich das Virus binden soll. Einige der Viren haben Proteine, die an das Material binden. Die Isolierung dieser Viren ist ein einfaches Abwaschen des Materialstücks – es bleiben nur die Viren zurück, die an das Material gebunden sind. Diese können dann reproduziert werden. Nach einigen Binde- und Waschrunden bleiben nur noch Viren mit der höchsten Affinität zum Material zurück.

Die Forscher wollen auch Viren herstellen, die auch die negative Elektrode zusammenbauen. Sie würden dann die positiven und negativen Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten eines selbstorganisierenden Polymerelektrolyten wachsen lassen, der von Paula Hammond*, einer weiteren wichtigen Mitarbeiterin des Projekts, entwickelt wurde. Dadurch würden selbstgebaute Batterien entstehen, nicht nur Elektroden. Ein weiteres Ziel besteht darin, ineinandergreifende Batterien herzustellen, bei denen sich negative und positive Elektrodenmaterialien abwechseln, wie die Zinken zweier zusammengeschobener Kämme – dies könnte mehr Energie aufnehmen und zu Batterien führen, die diese Energie in stärkeren Stößen abgeben.

Jeff Bezos cia Vertrag

Und Batterien könnten nur der Anfang sein. Da die Viren an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche Proteine ​​haben – ein Protein in der Mitte und andere an den Enden – können die Forscher Viren herstellen, die an ein Material in der Mitte und an verschiedene Materialien an den Enden binden. Belchers Gruppe hat bereits Viren produziert, die sich mit Halbleitern beschichten und sich dann an den Enden an Goldelektroden anheften, was zu funktionierenden Transistoren führen könnte.

Wenn Sie auf diese Weise Batterien herstellen können, die wirklich effektiv sind, ist es einfach unglaublich, was die Anwendungen sein könnten, sagt Iverson.

Das Mooresche Gesetz ist eine Regel, die vorhersagt

* Korrektur : Die Virus-Batterie-Arbeit war das Ergebnis einer Zusammenarbeit von Forschern des MIT. Der Originalartikel erwähnt Angela Belcher und Yet-Ming Chiang. Ein wichtiger Teil dieser Arbeit war die Entwicklung eines selbstorganisierenden Polymerelektrolyten durch Paula Hammond, Professorin für Chemieingenieurwesen am MIT.

Bild der Homepage mit freundlicher Genehmigung von Angela Belcher, MIT.

verbergen

Tatsächliche Technologien

Kategorie

Unkategorisiert

Technologie

Biotechnologie

Technologierichtlinie

Klimawandel

Mensch Und Technik

Silicon Valley

Computer

Mit News Magazine

Künstliche Intelligenz

Platz

Intelligente Städte

Blockchain

Reportage

Alumni-Profil

Alumni-Verbindung

Mit News Feature

1865

Meine Sicht

77 Mass Avenue

Treffen Sie Den Autor

Profile In Großzügigkeit

Auf Dem Campus Gesehen

Lerne Den Autor Kennen

Alumni-Briefe

Nicht Kategorisiert

77 Massenallee

Rechnen

Tech-Richtlinie

Lernen Sie Den Autor Kennen

Nachrichten

Wahl 2020

Mit Index

Unter Der Kuppel

Feuerwehrschlauch

Unendliche Geschichten

Pandemie-Technologieprojekt

Vom Präsidenten

Titelstory

Fotogallerie

Empfohlen