病毒生物电池包括阴极、阳极和电解液三个部分。麻省理工学院工程师已完成了阳极和电解液的设计。研究人员用一种超薄的聚合物材料作为病毒电池的外壳,在薄膜上建立电池的接头,其直径仅有4~8微米。在电池接头的顶部,研究小组堆积固定电解液的聚合层。接下来,将病毒组装在在电池接头上,最终形成电池的阳极。

1.病毒电池原理

首先将长条状的M13病毒进行基因编程,使其表面可以生长出作为电极的无定形磷酸铁。无定形磷酸铁一般来说并非良好的导体,但它在纳米尺度下则成为一种有用的电池材料。这些病毒的末端被设计成与碳纳米管连接,从而形成一种可在电池内增进导电性能的网络结构。
科学家们利用显微镜对数以百万计的病毒DNA进行扫描后,选定了M13病毒。这种病毒长度为880纳米,是一种非常简单且容易操控的病毒,对人体无害。
研究小组首先利用遗传工程使M13病毒的外壳吸附上三氧化二钴和金,随后将其装配入薄膜中,从而制成一个正极。
接下来便是解决负极的问题,这是一项更具有挑战性的工作,因此它需要很高的传导性。研究小组利用工程学的方法在M13病毒上积聚了磷酸铁离子,并将其与一个由碳纳米管制成的高传导性网络连接在一起。电子可以迅速地在这一系统中传递,进而增加负极的容量。实际上,Belcher研制的电池与商业应用的锂电池具有相同的性能,同时至少能够充电和放电100次。研究小组在2009年4月2日的美国《科学》杂志网络版上报告了这一研究成果。这一基于病毒的技术将成为生产电池的第一种生物学手段。Belcher强调,除了碳纳米管之外的所有系统都是在室温下制成的,并且只将水作为一种溶剂。最后,当这种电池报废和降解后,它不会留下任何有毒的化学物质。Belcher表示:“这绝对是一种非常清洁的方法。”
无论是在组装过程还是在电池的使用过程中,这些连成一线的病毒都是活的。贝尔彻和她的小组用显微镜扫描了数以百万计的病毒DNA,从而为这一工作筛选出最好的候选病毒。他们最终选择的病毒是长条状的M13病毒,其直径仅6纳米,长为880纳米,它是一种非常简单而且容易被操纵的病毒。他们正通过无害的微生物细胞来复制M13病毒,然后再把它们组装到高分子材料上。

病毒电池原理

2.病毒电池特点

病毒电池研制成功 比传统电池更安全。研究人员发现,这种与碳纳米管“绑定”的转基因病毒可以使磷酸铁电极的充放电率与最尖端的结晶状磷酸锂铁电极相媲美。这种“病毒电池”可以充放电至少100次而不损失电容,尽管与磷酸锂铁电池仍有差距,但后者价格昂贵而且有毒,而“病毒电池”的优点显而易见:可以在室温或室温以下制备,不需要有害的有机溶剂,电池内部的物质也无毒。
传统的锂离子电池采用的是碳电极。相对于它们提供的能量来说,电极的体积太大了。为了给电极瘦身,研究人员把目光转向了自我组装的模范――病毒身上。美国麻省理工学院的一个研究小组,对一种叫做M13的长管状病毒进行加工,插入含有钴原子和金原子的蛋白质中。研究人员将一片聚合体电解薄膜放入含有病毒的溶液中,再放入含有金属原子的溶液中,产生出一个透明的薄片,上面镀了一层氧化钴和金的薄膜。结果,这种材料储存的能量,大约是原来碳材料正电极能量的3倍。接下来,他们的目标是再制造出一个负电极,最终完成一只自我组装的电池。

病毒电池特点

3.病毒电池应用前景

研究人员表示,微型病毒电池的确可以为手机和MP3供电,但是这些珍贵的病毒电池将主要还将用于治疗疾病和制造精密仪器,比如,一些患者需要在体内植入一些医疗器械(起搏器、血管机器人等),这些器械就可以用病毒电池来供电。或许有人担心病毒电池破裂了怎么办,那些病毒会不会危害人体的健康?病毒电池的密闭性和稳定性都很好,通常不会出现破裂的情况。即使病毒电池在意外情况下破裂,那些“泄漏”的病毒也不会危害人体,因为它们已经进行过无害化基因改造。
利用病毒研制电池是一个良好的开端,今后研究人员还将利用病毒上不同位置的蛋白质的特性,研制能满足有不同要求的电子元器件,如有机晶体管。此外,同样的病毒组装技术还可以用于研制更加有效的生化反应催化剂。研究人员还希望这种病毒组装技术制造太阳能电池、涂料、纺织品等产品需要的纳米材料

病毒电池应用前景