MIT科学家受鲍鱼壳启发 制造病毒电池
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MIT科学家受鲍鱼壳启发 制造病毒电池

2020年02月27日 15:52:04
来源:凤凰网科技

贝尔彻向时任美国总统奥巴马介绍电极由病毒制造的电池

凤凰网科技讯 北京时间2月27日消息,2009年,麻省理工学院生物工程教授安吉拉·贝尔彻(Angela Belcher)造访白宫,向刚上任2个月的奥巴马总统展示了一种小尺寸电池。

能引起美国总统兴趣的电池不多,不过贝尔彻展示的电池可不是“凡夫俗子”。这款锂离子电池的阴、阳极,是由病毒利用普通材料制造的。这一制造技术不仅能减少电池生产过程中产生的有害物,电池本身的性能也有所提升。

当时奥巴马正计划拨款20亿美元,用于研发先进电池技术。贝尔彻展示的纽扣电池,揭示了电池未来的发展方向。

自从在白宫展示以来,贝尔彻的病毒制造工艺取得了重大进展。病毒可以利用逾150种不同材料,用来制造太阳能电池等产品。虽然打造一辆“由病毒提供动力的汽车”的梦想尚未实现,经过她与MIT同事多年努力,贝尔彻的这项技术即将走出实验室,投放市场。

虽然拥有自己的DNA(遗传物质),但离开宿主,病毒就不能进行复制,这说明它本身不属于生命体。

贝尔彻的研究表明,经过纳米工程技术改进后,病毒的这一特性可以用来生产电池,电池不仅在能量密度、使用寿命和充电速度方面得到提升,生产过程也更环保。

约翰·霍普金斯应用物理实验室资深研究科学家康斯坦丁诺斯·吉拉索波洛斯(Konstantinos Gerasopoulos)说,“将纳米结构用于电池生产,吸引了越来越多科学家的兴趣。利用传统化学技术,有数种方法可以生产纳米材料,但利用病毒等生物材料的优势是:它们尺寸非常小,因此天然是处理电池原材料的自然模板。”

贝尔彻受到鲍鱼壳启发开发了病毒组装技术

即使没有病毒帮助,大自然中的无机物也可以生成许多有用的结构。贝尔彻提到的一个例子是鲍鱼壳,它就是由纳米材料生成的,具有轻巧和坚固的特点。

在过去数千万年中,鲍鱼不断进化,它的DNA会对某些蛋白质编码,从富含矿物质的水中析取钙分子,并使它们有序沉淀在其身体上。鲍鱼永远不可能生产出电池,但贝尔彻意识到,可以将这一过程复制到病毒中,为人类生产有用的结构。

贝尔彻表示,“我们利用生物工程技术,控制病毒生成正常情况下无法生成的纳米材料。我们扩充了病毒“制造工具”的使用范围,使之可以处理新材料。”

贝尔彻用来生产电池电极的M13噬菌体病毒

贝尔彻选择用来“制造”电池电极的病毒,被称作M13噬菌体病毒,看起来有点像雪茄烟,能够在细菌内复制本身。虽然它不是可以用于纳米工程的唯一一种病毒,但贝尔彻表示,她选择这种病毒的原因是,其遗传物质容易处理。

为了在电池生产中使用这种病毒,贝尔彻使它与原材料接触。病毒的基因突变——包括自然和人工诱发的突变,会使它们附着在材料表面。贝尔彻把这些病毒提取出来,并让它们感染细菌,进行大量复制。之后,这一过程会不断重复,每次重复后病毒制造电池的能力都会更强大。

贝尔彻的基因工程病毒不会区分电池的阳极和阴极,它们也不需要具有这样的能力。

病毒的DNA被编码为只能完成相同的简单任务,但当数以百万计的同一种病毒,共同完成一项工作时,它们就能生产出有用的产品。

例如,利用基因编辑技术改造的病毒,可以在其表面生成一种蛋白质,吸附氧化钴微粒,覆盖在“身体”外面。病毒表面蛋白质越多,吸附的氧化钴微粒也就越多。最终,连在一起的病毒,会形成为一条氧化钴线,可以充当电池电极。

贝尔彻的技术可以将DNA序列与元素周期表中的元素进行匹配,加速选择过程。以一种方式对DNA编码,可能使病毒吸附磷酸铁微粒;DNA编码改变后,病毒可能会“喜欢”氧化钴微粒。这一技术适用于元素周期表中的任一元素,只需找到与元素匹配的病毒DNA序列即可。

从这一角度看,贝尔彻的技术,与养狗人使用的选择性繁殖技术差别不大。利用选择性繁殖技术,养狗人可以培育出自然状态下不可能出现、具有优良品质的新的狗品种。不过,贝尔彻培育的并非名贵狗品种,而是能用来生产电池的病毒。

贝尔彻开发的病毒电池

贝尔彻已经利用病毒生产技术生产出电极,并将它们用于不同类型的电池中。她向奥巴马展示的是一款标准的锂离子纽扣电池,与电子手表或小型LED使用的电池没有什么两样。

贝尔彻认为,由病毒制造的电极,将主要使用在传统电池中,例如锂-空气电池和纳离子电池,原因就在于,她认为与实力雄厚的厂商竞争意义不大,“我们的目的不是与现有技术竞争,我们着眼于回答下述问题:生物技术可以解决一些目前尚未被解决的问题吗?”

这一技术颇有前景的一个应用领域,是利用病毒开发高度有序的电极结构,缩短离子在电极中移动的距离。伊利诺斯大学材料研究实验室主任保罗·布朗(Paul Braun)说,这将提高电池充、放电的速度——“能源存储系统的‘最高目标’之一”。他说,从理论上说,病毒制造工艺能大幅改进电池电极结构,提高充电速度。

迄今为止,贝尔彻的病毒制造电极的结构是随机的,但她和同事在研发新技术,诱导病毒生产结构高度有序的电极。

与电极采用传统工艺制造的电池相比,贝尔彻的电池表现同样好,甚至更好,这体现在能量密度、充放电次数和充电速度方面。但贝尔彻表示,病毒制造技术最大的优势是环保。传统电池电极生产工艺要求使用有害物和高温,贝尔彻的病毒制造工艺,只需要电极原材料、室温下的水和使用基因工程技术改造的病毒。

贝尔彻表示,“我的实验室致力于实现的一个目标,是开发出最清洁的技术”,其中需要考虑的因素包括生产电极所需要矿物的开采地、电极制造过程中产生的废物。

虽然尚未实现商业化,但贝尔彻表示,她和同事有数篇论文正在接受评议,论文阐述了这一技术在能源和其他领域的应用。

当首次声称病毒制造技术可以用来生产对人类有用的产品时,贝尔彻遭到同事的质疑。她说,“人们认为我疯了。”

现在,这一技术已经不再被认为是天方夜谭,但它要走出实验室、实现商业化还面临重重困难。印第安纳大学伯明顿分校化学教授波格丹·德拉格尼亚(Bogdan Dragnea)说,“传统的电极制造只需要廉价的工艺和材料,但病毒制造技术还需要解决规模化生产问题,这不仅需要数年时间,也需要投入资金。我们最近才从物理属性角度开始了解基于病毒的材料的潜力。”

贝尔彻已经与其他人联合创办了两家与病毒制造技术有关的公司。创办于2004年的Cambrios Technologies,利用病毒制造技术生产触控屏用电子组件;Siluria Technologies利用病毒将二氧化碳转化为乙烯。贝尔彻还利用病毒生产太阳能电池,但这一技术的效率,与钙钛材质的太阳能电池相比缺乏竞争力。

利用病毒生产电池电极的技术,能否商业化还是个问题。吉拉索波洛斯说,“电池生产工厂需要数十吨原材料,借助生物分子技术实现这种规模的量产并非易事。”但他也表示,他不相信这一障碍是不可克服的,但目前来看这可能是重要的挑战之一。

即使特斯拉电动汽车用不上利用病毒制造工艺生产的电池,贝尔彻基于生物技术的纳米工程技术,在对电流大小没有要求的领域有着巨大潜力。

在麻省理工学院,贝尔彻正在与一个科学家团队合作,利用病毒制造技术开发能发现肿瘤的纳米微粒。纳米微粒的目标是发现由于尺寸太小而难以被医生发现的癌细胞,实现癌症早发现、早诊断,降低患者死亡率。从理论上说,这些微粒可以携带能杀死癌细胞的生物制剂——当然这还是个远期目标。

在人类历史上,病毒一直是死亡和疾病的代名词,但贝尔彻开发的技术表明,它们可能有着广泛的应用前景。(作者/霜叶)

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