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MIT教授成功用病毒组装电池的正负极,计划未来用来驱动汽车

DeepTech深科技 2021-03-03 14:04 次阅读

一颗普通电池丢弃后,可以污染 60 万升的水。在各类电池中,锂离子电池因储能高、重量轻、污染小等特点一骑绝尘,被广泛应用于手机、电动车、军事装备及航空航天等。

但高效、便携、环保始终是电池应用领域的追求。麻省理工学院的生物分子材料学教授安吉拉・贝尔彻(Angela Belcher)已成功用病毒组装了电池的正负极,并成功为 LED 灯、手电筒、激光笔等小型设备供电。

与普通的电池相比,病毒电池仅需要病毒、水以及电极材料就可以供电,不仅环保、降低了成本,在一定程度上,这种电池比传统的电池相比,具有更高的容量、循环寿命和充电率。除此之外,安吉拉也将病毒改造用于转移性肿瘤检测,协助外科医生进行切除。

“病毒电池” 的诞生

用病毒组装电池这一想法源于鲍鱼。读博期间,安吉拉就注意到了这种拥有坚硬外壳的生物,研究后发现,鲍鱼分泌的一种蛋白质能够迫使碳酸钙分子定向排列,形成鲍鱼坚硬的外壳。既然是蛋白质形成的外壳,那么它也是一种纳米级材料,作为一名材料学家,安吉拉敏锐的意识到可以改造病毒表达相似的蛋白质,从而为人类制造有用的材料。

在分析了数百万种病毒之后,安吉拉及其团队确定了 M13 噬菌体,这种病毒遗传物质简单,易于操作,还可以将机械能转换为电能用于发电。“尽管不是唯一可用于纳米工程的病毒,但它的效果非常好”,安吉拉表示。M13 是一种结构细长的病毒,这种结构正好可以用作生物支架。

对 M13 的基因组进行改造后,病毒的表面会生成特定的蛋白质,这种蛋白质能够吸附电极材料。当对病毒基因组进行不同的工程突变时,生成的蛋白质能够吸附不同的材料。安吉拉改造的病毒表达的蛋白质能够吸附氧化钴和磷酸铁,分别担任电池的正极和负极。

传统的锂离子电池是一种充电电池,这种电池使用锂化合物作为电极材料,常用的正极材料包括锂铁磷酸盐、锰酸锂等,常用的负极材料是石墨,当锂离子通过电解质从负极流向正极时,电池便会发电。

病毒电池在本质上也是一种锂离子电池,但其所用的电解质是水,与锂离子电池相比,病毒电池使用生物材料,更易降解,而且,它们的合成需要相对较少的设备,因此也更加便宜。同时,这种病毒经过改造后,只会感染特定的细菌,且不会对人体致命。

“使用病毒等生物材料的好处是,它们已经以纳米形式存在,它们是用于合成电池材料的天然模板”,约翰・霍普金斯大学应用物理实验室的高级电池研究科学家 Konstantinos Gerasopoulos 表示。纳米电极能够更多、更快地吸收和释放带电离子,因而可以将电池做的更小、更轻且容量更大。

纳米电池是目前的研发热点,将电池正极和负极的材料纳米化后,能够降低电池材料的体积、提高电池密度,从而提升电池的容量,如果加入导电性良好的碳纤维,也可以提升电池的充放电性能。

产量和效能是商业化障碍

早在 2009 年,安吉拉就在白宫为前美国总统巴拉克・奥巴马(Barack Obama)展示了这种病毒电池,当时,奥巴马正好计划拨款 20 亿美元用于新型电池的技术的开发。

安吉拉抓住了这一机遇。在 10 多年的发展中,安吉拉改造的病毒已经能够结合 150 种材料,应用到了太阳能电池、肿瘤检测灯方面。但不得不注意的是,目前,安吉拉改造的病毒电池仅能为 LED 灯、手电筒、激光笔等小型设备供电。

一般的电池工厂所需的原材料高达数十吨,但是病毒体积太小,以目前的生物分子技术很难实现这种规模的量产。也就是说,病毒电池暂时没办法商业化,对此,安吉拉解释道,“与成熟的锂离子制造商竞争是毫无意义的,我们并不会与当前的技术竞争,最重要的是,我们想要用生物学技术解决一些迄今为止尚未解决的问题”。

在安吉拉成功拿到病毒电池的同年,美国康奈尔大学的研究者发现了碳纳米管太阳能电池,碳纳米管是由碳原子无隙结合形成的一种纳米级的圆柱状物体,这种材料的太阳能电池导电性好、比传统的硅材料便宜,但是转换效率非常低,仅有 1%。

2011 年,安吉拉及其团队在此基础上,用 M13 病毒将碳纳米管太阳能电池的转换效率提升了近 30%。M13 病毒生成的特定蛋白质能够固定碳纳米管,从而保证纳米管处于正确的位置;同时,M13 还会产生二氧化钛,能够提高电子的传输效率;此外,M13 能够让碳纳米管具有水溶性,使其在室温条件下更方便地加入到太阳能板中,从而降低成产生本。

尽管安吉拉在一定程度上提升了碳纳米管太阳能板的转换效率,但是这种技术效率无法和钙钛矿型太阳能电池相提并论。钙钛矿型太阳能电池的效率已经超过了 21%。

现在,安吉拉和团队也在研究锂空气电池,这种电池用空气中的氧气作为负极,用锂离子作为正极。相比较锂离子电池,锂空气电池拥有更高的密度,这意味着,这种电池能够储存更多的电量。安吉拉和团队用组装病毒作为负极,其生成的蛋白质会形成纳米级的导线,他们还增大了导线的直径,从而加快了充电和放电速率。

除此之外,用病毒创建高度有序的电极结构,缩短离子通过的距离,也能够增加电池充放电的效率。伊利诺伊大学材料研究实验室主任保罗・布劳恩(Paul Braun)认为这是电池储能的重要原因。

安吉拉的病毒电池虽然借鉴了钙分子有序排列形成鲍鱼壳的原理,但目前病毒组装的电极结构依旧是无序的,目前,团队正在研究如何让病毒组装成更有序的结构,以此来提高电池的储能效率。

“病毒汽车” 的梦想

除了病毒电池之外,安吉拉和另外两位麻省理工学院的教授合作用病毒组装技术开发了能够发现肿瘤的纳米颗粒。“用 CT 扫描能够发现小到 1 厘米的肿瘤,但是用这些纳米颗粒能够发现小到半毫米的肿瘤”,安吉拉补充道,“如果早点发现毫米级的肿瘤,并介入治疗,可以极大的提高患者的生存率”。

安吉拉对病毒的基因组进行了改造,使其表达的蛋白质不仅能够与碳纳米管结合,还能够与癌细胞产生的蛋白质结合。当病毒附着在癌细胞后,纳米管在红外光的照射下可以发荧光,荧光的位置即标志肿瘤的位置,可以协助外科医生进行手术切除。

目前这种技术仅能够用于乳腺癌,安吉拉和团队正在努力将这项技术用于脑癌和胰腺癌中。

驾驶用病毒电池驱动的汽车是安吉拉的梦想。

市场上主流的电动汽车用到的都是锂离子电池,根据公开消息,2020 年电动汽车的平均续航在 400 公里左右。要延长电动汽车的续航,要么增加电池的数量,要么增加电池的容量。

从最初的病毒电池到太阳能电池,再到上述提到的锂空气电池,安吉拉一直在对病毒进行工程改造,提高电池的储能效率,以产生可以用作低碳能源系统一部分的材料。

原文标题:MIT教授将病毒用于电池、肿瘤检测,未来计划用病毒驱动汽车

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责任编辑:haq

原文标题:MIT教授将病毒用于电池、肿瘤检测,未来计划用病毒驱动汽车

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