科学家用病毒做电池,科技产业迫在眉睫的需求有答案了?|海外头条

若卡 2020-11-27 15:43

创业邦

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编者按:

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近年来,从iPhone12到电动汽车,全球科技产业的发展对电池的依赖迅速增长。

更好、更可靠、能量密度更高的电池几乎是所有科技公司迫在眉睫的需求。

因此,电池领域涌现的创意和想象力着实令人惊叹。

本期推介Predict的文章《未来的电池可以由病毒制成》(Future Batteries Could be Made Out of Viruses),作者Leon Okwatch提出了一个听上去匪夷所思的新技术来解决这种需求。

那就是病毒。

作为自然界最主要和最独特的微生物之一,它可能掌握着未来更高效电池的关键。你能想到去用病毒制造电池吗?

2009年,麻省理工学院(MIT)生物工程教授Angela Belcher受邀到白宫为奥巴马总统演示一个小型电池。

这不是一个普通的电池。Belcher使用病毒来组装锂离子电池的电极,从而为LED提供能量。

自然界中的化学物质通过研究能够形成令人难以置信的拥有强壮结构的生物体,这是她主要的灵感来源。

例如,鲍鱼和蜗牛通过在富含矿物质的海底收集钙分子来构建一个强壮的外壳。复杂的生物机制控制着这一过程,所有的编码都是由蜗牛的DNA完成的。

从理论上讲,可以微调生物体的DNA,使其能够吸引黄金或铜等导电材料,对生物学的材料范围进行扩展。

病毒是完美的候选者。它们的DNA很容易改变,而且能达到纳米大小。

Belcher最开始用M13噬菌体进行实验。噬菌体是一种只感染细菌的病毒,所以它对人类无害,其环状基因组相对容易操纵。

通过对M13噬菌体DNA进行基因工程,Belcher创造了一种病毒,这种病毒可以编码蛋白质,这些蛋白质可以吸附在充当半导体的金属上。

之后,为了制造出足够的电池材料,需要数十亿份修改过的病毒副本。

要做到这一点,病毒必须感染并在其正常宿主内繁殖,然后去除细菌,留下大量的纯浓缩病毒,足以满足制造电池的需求。

当转基因病毒暴露在导电材料(如金和氧化钴)下时,这些金属粒子覆盖在病毒的整个表面,形成纳米线——也就是金属涂层的病毒纳米线。

最后,纳米线与其他导电材料结合在一起制成电极。

Belcher证明,她的转基因病毒可以用来制造轻薄、柔韧、能适应非标准形状的电池。

美国专利商标局授予她一项专利,也认证了用病毒制造电池的独特工艺。

为什么要在电池中使用病毒?

作者指出,病毒的很有前景的应用是因为可以通过它塑造精心有序的电极结构,以缩短电子通过电极的路径。

这将提高电池的充放电率,从而使电池更有效率。而且,采用病毒组装电极的电池具有更好的能量容量、循环寿命和充电率。

在未来,病毒电极预计将从锂离子电池转向钠离子和锂空气电池。

锂空气电池是靠氧去刺激化学反应,因此与传统电池中有限的电解质供应不同。

随着氧气的持续供应,锂空气电池理论上可以储存更多的能量。

虽然目前Belcher病毒组装的电极仍然具有相当随机的结构,但研究人员正在开发更有序、更紧凑的3D电极配置,以进一步提高其能源效率。

此外,病毒式电极组装的另一个优点是其过程更加环保。

传统的电极制造技术涉及有毒化学物质和极高的温度。通过病毒,人类所需要的只是电极金属、水和转基因病毒。

转眼间,距离使用病毒组件组装电池的第一次演示已经过去十年了,为什么还没有病毒驱动的汽车,病毒组装的电池真的有未来吗?

作者称,和任何新技术一样,这项新技术的商业化同样面临着可扩展性的挑战。

为了提高病毒的性能,整个设计过程需要更多的研究。

最好的目标是找到一个最佳点,在不牺牲产品的质量、效率和可靠性的前提下实现规模经济。

现在,利用受病毒启发的制造过程的公司已经建立起来。

除了电池,其他新兴技术也将由此受益。

麻省理工学院(MIT)的另一组科学家正在利用病毒组装技术研制抗肿瘤纳米颗粒。

这些纳米颗粒可以清除并摧毁那些现有技术无法检测到的癌细胞。通过早期发现和降低死亡率,这可能会给癌症治疗带来革命性的变化。

总之,大自然是一个神奇的问题解决者。用生物学来解决尚未解决的问题,创造了无限的机会来推进人类的技术创新。

在人类历史上,病毒一直被视为疾病和死亡的媒介。但我们还可以利用这种使人致命的独特特性做更多的事情,并不局限于能源电池。

虽然还不确定我们离驾驶一辆病毒驱动的特斯拉还有多远,但这个前景相当诱人。

在某种程度上,大自然提供了一个新的边界来解决迄今为止还没有解决的问题。

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