Eiwitten zijn goed voor het opbouwen van spieren, maar hun bouwstenen kunnen ook nuttig zijn voor het bouwen van duurzame organische batterijen die op een dag een levensvatbaar alternatief kunnen zijn voor conventionele lithium-ionbatterijen, zonder hun zorgen over veiligheid en milieu. Door gebruik te maken van synthetische polypeptiden - waaruit eiwitten bestaan ​​- en andere polymeren, onderzoekers hebben de eerste stappen gezet in de richting van het construeren van elektroden voor dergelijke stroombronnen. Het werk zou ook een nieuw begrip van elektronenoverdrachtsmechanismen kunnen opleveren.

De onderzoekers zullen hun resultaten vandaag presenteren op de American Chemical Society (ACS) Fall 2019 National Meeting &Exposition.

"De trend op dit moment op het gebied van batterijen is om te kijken hoe de elektronen worden getransporteerd binnen een polymeernetwerk, " zegt Tan Nguyen, een doctoraat student die het project heeft helpen ontwikkelen. "Het mooie van polypeptiden is dat we de chemie van hun zijketens in 3D kunnen controleren zonder de geometrie van de ruggengraat te veranderen, of het grootste deel van de structuur. Dan kunnen we systematisch het effect onderzoeken van het veranderen van verschillende aspecten van de zijketens."

Huidige lithium-ionbatterijen kunnen het milieu schaden, en omdat de kosten om ze te recyclen hoger zijn dan ze helemaal opnieuw te maken, ze hopen zich vaak op op stortplaatsen. Momenteel, er is geen veilige manier om ze weg te gooien. Het ontwikkelen van een op eiwit gebaseerde, of biologisch, batterij zou deze situatie veranderen.

"De amidebindingen langs de peptideruggengraat zijn behoorlijk stabiel, dus de duurzaamheid is er, en we kunnen dan triggeren wanneer ze kapot gaan voor recycling, " zegt Karen Wooley, doctoraat, die het team leidt aan de Texas A&M University. Ze stelt zich voor dat polypeptiden uiteindelijk kunnen worden gebruikt in toepassingen zoals stroombatterijen voor het opslaan van elektrische energie. "Het andere voordeel is dat door deze eiwitachtige architectuur te gebruiken, we bouwen het soort conformaties in dat gevonden wordt in eiwitten in de natuur die elektronen al efficiënt transporteren, ", zegt Wooley. "We kunnen dit ook optimaliseren om de batterijprestaties te controleren."

De onderzoekers bouwden het systeem met behulp van elektroden gemaakt van composieten van carbon black, het construeren van polypeptiden die ofwel viologen ofwel 2 bevatten, 2, 6, 6-tetramethylpiperidine 1-oxyl (TEMPO). Ze hechtten viologenen aan de matrix die voor de anode werd gebruikt, dat is de negatieve elektrode, en gebruikte een TEMPO-bevattend polypeptide voor de kathode, dat is de positieve elektrode. De viologenen en TEMPO zijn redox-actieve moleculen. "Wat we tot nu toe hebben gemeten voor het bereik, het potentiële venster tussen de twee materialen, is ongeveer 1,5 volt, geschikt voor toepassingen met een laag energieverbruik, zoals biosensoren, ' zegt Nguyen.

Voor eventueel gebruik in een organische batterij, Nguyen heeft verschillende polymeren gesynthetiseerd die verschillende conformaties aannemen, zoals een willekeurige spoel, een alfa-helix en een bètablad, om hun elektrochemische eigenschappen te onderzoeken. Met deze peptiden in de hand, Nguyen werkt nu samen met Alexandra Danielle Easley, een doctoraat student in het laboratorium van Jodie Lutkenhaus, doctoraat, ook aan de Texas A&M University, om de batterijprototypes te bouwen. Een deel van dat werk omvat testen om beter te begrijpen hoe de polymeren werken wanneer ze op een substraat zijn georganiseerd.

Hoewel dit onderzoek in een vroeg stadium nog lang moet duren voordat batterijen op organische basis in de handel verkrijgbaar zijn, de flexibiliteit en verscheidenheid aan structuren die eiwitten kunnen bieden, belooft een groot potentieel voor duurzame energieopslag die veiliger is voor het milieu.