(PhysOrg.com) -- Virussen hebben een slechte reputatie - en terecht. Het vermogen van een virus om zichzelf snel en nauwkeurig te repliceren, maakt het een destructieve plaag voor zowel dieren als planten. Nu een interdisciplinair team van onderzoekers van de A. James Clark School of Engineering en College of Agriculture and Natural Resources van de University of Maryland, bijeengebracht door professor Reza Ghodssi, draait de rollen om, het benutten en exploiteren van de "zelfvernieuwende" en "zelfassemblerende" eigenschappen van virussen voor een hoger doel:het bouwen van een nieuwe generatie kleine, krachtige en zeer efficiënte batterijen en brandstofcellen.

de stijve, staafvormig tabaksmozaïekvirus (TMV), die er onder een elektronenmicroscoop uitziet als ongekookte spaghetti, is een bekend en wijdverbreid plantenvirus dat tabak verwoest, tomaten, pepers, en andere vegetatie. Maar in het laboratorium ingenieurs hebben ontdekt dat ze de eigenschappen van TMV kunnen benutten om kleine componenten te bouwen voor de lithium-ionbatterijen van de toekomst. Ze kunnen de TMV-staven aanpassen om loodrecht op het metalen oppervlak van een batterij-elektrode te binden en de staven in ingewikkelde en geordende patronen op de elektrode plaatsen. Vervolgens, ze bedekken de staven met een geleidende dunne film die fungeert als stroomafnemer en tenslotte het actieve materiaal van de batterij dat deelneemt aan de elektrochemische reacties.

Als resultaat, de onderzoekers kunnen het elektrodeoppervlak en de capaciteit om energie op te slaan aanzienlijk vergroten en snelle laad- en ontlaadtijden mogelijk maken. TMV wordt inert tijdens het fabricageproces; de resulterende batterijen dragen het virus niet over. De nieuwe batterijen, echter, hebben tot een 10-voudige toename van de energiecapaciteit ten opzichte van een standaard lithium-ionbatterij.

"De resulterende batterijen zijn in veel opzichten een sprong voorwaarts en zullen niet alleen ideaal zijn voor gebruik in kleine elektronische apparaten, maar ook voor nieuwe toepassingen die tot nu toe beperkt waren door de grootte van de vereiste batterij, " zei Ghodssi, directeur van het Institute for Systems Research en Herbert Rabin hoogleraar Electrical and Computer Engineering aan de Clark School. "De technologie die we hebben ontwikkeld, kan worden gebruikt om apparaten voor energieopslag te produceren voor geïntegreerde microsystemen zoals draadloze sensornetwerken. Deze systemen moeten echt klein van formaat zijn - millimeter of submillimeter - zodat ze kunnen worden ingezet in grote nummers in afgelegen omgevingen voor toepassingen zoals binnenlandse veiligheid, landbouw, milieumonitoring en meer; om deze apparaten van stroom te voorzien, even kleine batterijen nodig zijn, zonder concessies te doen aan de prestaties."

De nanostructuur van TMV heeft de ideale grootte en vorm om te gebruiken als sjabloon voor het bouwen van batterij-elektroden. Zijn zelfreplicerende en zelfassemblerende biologische eigenschappen produceren structuren die zowel ingewikkeld als geordend zijn, waardoor het vermogen en de opslagcapaciteit van de batterijen waarin ze zijn verwerkt, toenemen. Omdat TMV kan worden geprogrammeerd om rechtstreeks aan metaal te binden, de resulterende componenten zijn lichter, sterker en goedkoper dan conventionele onderdelen.

Er zijn drie verschillende stappen betrokken bij het produceren van een op TMV gebaseerde batterij:wijzigen, het opkweken en voorbereiden van de TMV; het verwerken van de TMV om nanostaafjes op een metalen plaat te laten groeien; en het opnemen van de met nanostaafjes beklede platen in afgewerkte batterijen. Er is een interdisciplinair team van UM-wetenschappers en hun studenten nodig om elke stap mogelijk te maken.

James Culver, lid van het Instituut voor Biowetenschappen en Biotechnologie en hoogleraar bij de vakgroep Plantenwetenschappen en Landschapsarchitectuur, en onderzoeker Adam Brown had al genetische modificaties aan de TMV ontwikkeld waardoor deze chemisch kan worden gecoat met geleidende metalen. Voor dit project halen ze genoeg van het aangepaste virus uit slechts een paar tabaksplanten die in het laboratorium worden gekweekt om honderden batterij-elektroden te synthetiseren. De geëxtraheerde TMV is dan klaar voor de volgende stap.

Wetenschappers produceren een bos van verticaal uitgelijnde virusstaven met behulp van een proces dat is ontwikkeld door Culver's voormalige Ph.D. student, Elizabeth Royston. Een oplossing van TMV wordt aangebracht op een metalen elektrodeplaat. De genetische modificaties programmeren het ene uiteinde van het staafvormige virus om zich aan de plaat te hechten. Vervolgens worden deze virale bossen chemisch gecoat met een geleidend metaal, voornamelijk nikkel. Behalve de structuur, geen spoor van het virus aanwezig is in het eindproduct, die geen virus op planten of dieren kunnen overbrengen. Op dit proces is patent aangevraagd.

Ghodssi, materiaalkunde Ph.D. student Konstantinos Gerasopoulos, en voormalig postdoctoraal medewerker Matthew McCarthy (nu een faculteitslid aan de Drexel University) hebben deze metaalcoatingtechniek gebruikt om alkalinebatterijen te fabriceren met gebruikelijke technieken uit de halfgeleiderindustrie zoals fotolithografie en dunnefilmafzetting.

Terwijl de eerste generatie van hun apparaten de vernikkelde virussen voor de elektroden gebruikte, werk dat eerder dit jaar werd gepubliceerd, onderzocht de haalbaarheid van het structureren van elektroden met het actieve materiaal dat bovenop elke met nikkel beklede nanostaaf wordt afgezet, het vormen van een kern/schaal nanocomposiet waarbij elk TMV-deeltje een geleidende metalen kern en een actieve materiaalschaal bevat. In samenwerking met Chunsheng Wang, een professor in de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering, en zijn Ph.D. student Xilin Chen, de onderzoekers hebben verschillende technieken ontwikkeld om nanocomposieten van silicium en titaniumdioxide te vormen op de gemetalliseerde TMV-template. Deze architectuur stabiliseert zowel het fragiele, actieve materiaalcoating en zorgt voor een directe verbinding met de batterij-elektrode.

In de derde en laatste stap, Chen en Gerasopoulos assembleren deze elektroden in de experimentele lithium-ionbatterijen met hoge capaciteit. Hun capaciteit kan meerdere malen hoger zijn dan die van bulkmaterialen en in het geval van silicium, hoger dan die van de huidige commerciële batterijen.

"Virus-enabled nanorod-structuren zijn op maat gemaakt om de hoeveelheid energie die batterijen kunnen opslaan te vergroten. Ze geven een orde van grootte toename van het oppervlak, stabiliseer de geassembleerde materialen en verhoog de geleidbaarheid, wat resulteert in een 10-voudige toename van de energiecapaciteit ten opzichte van een standaard lithium-ionbatterij, ' zei Wang.

Een bonus:aangezien de TMV metaal rechtstreeks op het geleidende oppervlak bindt terwijl de structuren worden gevormd, er zijn geen andere bindende of geleidende middelen nodig zoals bij de traditionele inktgiettechnologieën die worden gebruikt voor de fabricage van elektroden.

"Onze methode is uniek omdat het de directe fabricage van de elektrode op de stroomcollector betreft; dit maakt het vermogen van de batterij hoger, en zijn levensduur langer, " zei Wang.

Het gebruik van het TMV-virus bij de fabricage van batterijen kan worden opgeschaald om aan de industriële productiebehoeften te voldoen. "Het proces is eenvoudig, goedkoop, en hernieuwbaar, Culver vult aan. "Gemiddeld een hectare tabak kan ongeveer 2, 100 pond bladweefsel, wat ongeveer een pond TMV oplevert per pond geïnfecteerde bladeren, " hij legt uit.

Tegelijkertijd, Met deze technologie kunnen zeer kleine microbatterijen worden geproduceerd. "Onze elektrodesynthesetechniek, het grote oppervlak van de TMV en het vermogen om deze materialen te modelleren met behulp van processen die compatibel zijn met microfabricage maken de ontwikkeling van dergelijke geminiaturiseerde batterijen mogelijk, " voegt Gerasopoulos toe.

Hoewel de focus van dit onderzoeksteam al lang lag op energieopslag, de structurele veelzijdigheid van de TMV-sjabloon maakt het gebruik ervan in een verscheidenheid aan opwindende toepassingen mogelijk. "Deze combinatie van bottom-up biologische zelfassemblage en top-down productie is niet beperkt tot alleen de ontwikkeling van batterijen, Ghodssi zei. "Een van de lopende projecten van ons laboratorium is gericht op de ontwikkeling van sensoren voor het detecteren van explosieven die gebruikmaken van versies van de TMV die TNT selectief binden, het verhogen van de gevoeligheid van de sensor. parallel, we werken samen met onze collega's van Drexel en MIT om oppervlakken te bouwen die lijken op de structuur van plantenbladeren. Deze biomimetische structuren kunnen worden gebruikt voor wetenschappelijke basisstudies en voor de ontwikkeling van nieuwe waterafstotende oppervlakken en warmtepijpen op micro-/nanoschaal."