Batteries assemblées par virus

Plus de la moitié du poids et de la taille des batteries d'aujourd'hui provient de matériaux de support qui ne contribuent en rien au stockage de l'énergie. Les chercheurs ont maintenant démontré que les virus génétiquement modifiés peuvent assembler des matériaux de batterie actifs dans une structure compacte et régulière, pour former une électrode de batterie ultra-mince et transparente qui stocke près de trois fois plus d'énergie que celles des batteries lithium-ion d'aujourd'hui. Il s'agit du premier pas vers des batteries auto-assemblantes de grande capacité.

Les applications pourraient inclure des batteries à haute énergie laminées de manière invisible sur les écrans plats des téléphones portables et des ordinateurs portables ou adaptées pour s'adapter aux appareils auditifs. La même technique d'assemblage pourrait également conduire à des catalyseurs et des panneaux solaires plus efficaces, selon les chercheurs du MIT qui ont développé la technologie, en permettant de contrôler finement les positions des matériaux inorganiques.

La majeure partie de cela a été réalisée par manipulation génétique - en donnant à un organisme qui ne fabriquerait normalement pas d'électrodes de batterie les informations nécessaires pour fabriquer une électrode de batterie et pour l'assembler dans un appareil, explique Angela Belcher, chercheuse sur le projet et professeure de MIT au MIT. science et génie des matériaux et génie biologique. Mon rêve est d'avoir une séquence d'ADN qui code pour la synthèse des matériaux, puis de sortir d'un bécher pour en sortir un appareil. Et je pense que c'est un grand pas sur cette voie.

Les chercheurs, dans des travaux rapportés en ligne cette semaine dans La science , ont utilisé des virus M13 pour fabriquer l'électrode positive d'une batterie lithium-ion, qu'ils ont testée avec une électrode négative conventionnelle. Le virus est composé de protéines, dont la plupart s'enroulent pour former un cylindre long et mince. En ajoutant des séquences de nucléotides à l'ADN du virus, les chercheurs ont ordonné à ces protéines de se former avec un acide aminé supplémentaire qui se lie aux ions cobalt. Les virus avec ces nouvelles protéines s'enrobent ensuite d'ions cobalt dans une solution, ce qui conduit finalement, après des réactions avec de l'eau, à l'oxyde de cobalt, un matériau de batterie avancé avec une capacité de stockage beaucoup plus élevée que les matériaux à base de carbone maintenant utilisés dans le lithium-ion. batteries.

Pour fabriquer une électrode, les chercheurs plongent d'abord un électrolyte polymère dans une solution de virus modifiés. Les virus s'assemblent en une couche uniforme sur l'électrolyte. Cet électrolyte enrobé est ensuite plongé dans une solution contenant des matériaux de batterie. Les virus organisent ces matériaux en une structure cristalline ordonnée adaptée aux batteries haute densité.

[ Cliquez ici pour une illustration du processus de formation de la batterie.]

Ces électrodes se sont avérées avoir deux fois la capacité de celles à base de carbone. Pour améliorer encore cela, les chercheurs se sont à nouveau tournés vers le génie génétique. Tout en conservant le code génétique de l'assemblage du cobalt, ils ont ajouté un brin d'ADN supplémentaire qui produit des protéines virales qui se lient à l'or. Les virus se sont ensuite assemblés sous forme de nanofils composés à la fois d'oxyde de cobalt et de particules d'or - et les électrodes résultantes ont stocké 30% d'énergie en plus.

L'utilisation de virus pour assembler des matériaux inorganiques présente plusieurs avantages, explique Daniel Morse, professeur de génétique moléculaire et de biochimie à l'Université de Californie à Santa Barbara. Premièrement, le placement des protéines, et du cobalt et de l'or qui s'y lient, est précis. Le virus peut également se reproduire rapidement, fournissant beaucoup de matière première, ce qui suggère qu'il s'agit d'une technique de fabrication qui pourrait rapidement s'étendre. Et cette méthode d'assemblage ne nécessite pas les processus coûteux actuellement utilisés pour fabriquer des matériaux de batterie.

Vous pourriez le faire au niveau industriel très rapidement, explique Brent Iverson, professeur de chimie organique et de biochimie à l'Université du Texas à Austin. Je ne peux pas imaginer un moyen de modéliser ou d'échafauder des nanoparticules moins cher.

Yet-Ming Chiang, professeur de science des matériaux et d'ingénierie au MIT et l'un des collaborateurs de Belcher, déclare que, bien que de petites batteries conçues pour des applications spécifiques puissent être fabriquées en utilisant ce processus d'ici quelques années, beaucoup de travail reste à faire. Par exemple, l'oxyde de cobalt n'est peut-être pas le meilleur matériau, les chercheurs vont donc concevoir des virus pour se lier à d'autres matériaux.

L'une des façons dont ils l'ont fait dans le passé est d'utiliser un processus appelé évolution dirigée. Ils combinent des collections de virus avec des millions de variations aléatoires dans un flacon contenant un morceau du matériel auquel ils veulent que le virus se lie. Certains virus contiennent des protéines qui se lient au matériel. L'isolement de ces virus est un processus simple de lavage du morceau de matériel - seuls les virus liés au matériel restent. Ceux-ci peuvent alors être autorisés à se reproduire. Après quelques cycles de liaison et de lavage, seuls les virus ayant la plus grande affinité pour le matériel restent.

Les chercheurs veulent également fabriquer des virus qui assemblent également l'électrode négative. Ils feraient ensuite croître les électrodes positives et négatives sur les côtés opposés d'un électrolyte polymère auto-assemblant développé par Paula Hammond*, un autre contributeur majeur au projet. Cela créerait des batteries auto-assemblées, pas seulement des électrodes. Un autre objectif est de fabriquer des batteries interdigitées dans lesquelles les matériaux d'électrodes négatives et positives alternent, comme les dents de deux peignes rapprochés - cela pourrait contenir plus d'énergie et conduire à des batteries qui fournissent cette énergie en rafales plus puissantes.

Et les batteries pourraient n'être que le début. Étant donné que les virus ont différentes protéines à différents endroits - une protéine au centre et d'autres aux extrémités - les chercheurs peuvent créer des virus qui se lient à un matériau au milieu et à différents matériaux aux extrémités. Déjà, le groupe de Belcher a produit des virus qui se revêtent de semi-conducteurs puis se fixent aux extrémités sur des électrodes en or, ce qui pourrait conduire à des transistors fonctionnels.

Si vous pouvez fabriquer des batteries vraiment efficaces de cette façon, ce que pourraient être les applications est tout simplement ahurissant, dit Iverson.

* Correction : Le travail virus-batterie est le résultat d'une collaboration entre des chercheurs du MIT. L'article original mentionne Angela Belcher et Yet-Ming Chiang. Une partie importante de ce travail a été le développement d'un électrolyte polymère auto-assemblant par Paula Hammond, professeur de génie chimique au MIT.

Image de la page d'accueil avec l'aimable autorisation d'Angela Belcher, MIT.

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