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Les nano-électrodes viral structurées amplifient la capacité d'énergie de dix fois

Les virus ont un mauvais représentant-et correctement ainsi. La capacité d'un virus à rapidement et avec précision replié elle-même rend lui un fléau destructeur aux animaux et végétaux semblable. Maintenant une équipe de recherche interdisciplinaire à l'université de l'école d'A. James Clark de Maryland du bureau d'études et l'université de l'agriculture et les ressources naturelles, rassemblés par professeur Reza Ghodssi, renverse les rôles, arme et exploite les propriétés « auto-renouvelantes » et « auto-montantes » des virus pour un but plus élevé : pour établir un rétablissement neuf de petites, puissantes et très efficaces batteries et cellules à combustible.

Le virus de mosaïque du tabac rigide et en forme de tige (TMV), qui sous un microscope électronique ressemble aux spaghetti crus, est un virus de centrale réputé et répandu qui dévaste le tabac, des tomates, des poivrons, et toute autre végétation. Mais dans le laboratoire, les techniciens ont découvert qu'ils peuvent armer les caractéristiques de TMV pour établir les composantes minuscules pour les batteries d'ion de lithium du contrat à terme. Ils peuvent modifier les tiges de TMV pour gripper perpendiculairement à la surface métallique d'une électrode de batterie et pour arranger les tiges dans les configurations compliquées et ordonnées sur l'électrode. Puis, ils enduisent les tiges d'un film mince conducteur qui agit en tant que collecteur de courant et finalement du matériau actif de la batterie qui participe aux réactions électrochimiques.

Comme résultat, les chercheurs peuvent grand augmenter la surface d'électrode et sa capacité d'enregistrer l'énergie et d'activer des temps rapides de charge/écoulement. TMV devient inerte pendant le processus de fabrication ; les batteries donnantes droit ne transmettent pas le virus. Les batteries neuves, cependant, ont jusqu'à une augmentation de 10 fois de la capacité d'énergie au-dessus d'une batterie d'ion de lithium normale.

« Les batteries donnantes droit sont un saut vers l'avant de plusieurs manières et seront idéales pour l'usage non seulement dans de petits appareils électroniques mais dans les applications nouvelles qui ont été limitées jusqu'ici par la taille de la batterie exigée, » a dit Ghodssi, directeur de l'institut pour la recherche de systèmes et le professeur d'Herbert Rabin d'élém. élect. et d'ingénierie informatique à l'école de Clark. « La technologie que nous avons développée peut être employée pour produire des périphériques de stockage d'énergie pour des microsystèmes intégrés tels que les réseaux sans fil de détecteurs. Ces systèmes doivent être réellement petits dans le taille-mm ou le sous-mm-ainsi qu'ils peuvent être déployés dans de grands nombres dans les environnements distants pour des applications comme la garantie de patrie, agriculture, contrôle de l'environnement et plus ; pour actionner ces dispositifs, des batteries également petites sont exigées, sans compromettre dans le rendement. »

Le nanostructure de TMV est la taille et la forme idéales à employer comme matrice pour les électrodes de établissement de batterie. Ses propriétés biologiques auto-reproduisantes et de auto-montages produisent les structures qui sont compliquées et ordonnées, qui augmente la capacité de pouvoir et de stockage des batteries qui les comportent. Puisque TMV peut être programmé pour gripper directement pour metal, les composantes donnantes droit sont allège, plus intenses et moins chères que les pièces conventionnelles.

Trois opérations distinctes sont impliquées en produisant une batterie basée sur TMV : modifiant, propageant et préparant le TMV ; traitement du TMV pour élever des nanorods sur une plaque de métal ; et comportant les plaques nanorod-enduites aux batteries de finition. Elle prend une équipe interdisciplinaire des scientifiques d'UM et de leurs stagiaires pour rendre chaque opération possible.

James Culver, un membre de l'institut pour des biosciences et biotechnologie et un professeur dans le service de la science des plantes et l'architecture d'horizontal, et chercheur Adam Brown avait déjà développé des modifications génétiques aux TMV qui lui permettent d'être chimiquement enduite des métaux conducteurs. Pour ce projet ils extraient assez du virus personnalisé juste de quelques plantes de tabac cultivées dans le laboratoire pour synthétiser des centaines d'électrodes de batterie. Le TMV extrait est alors prêt pour la prochaine opération.

Les scientifiques produisent une forêt de tiges verticalement alignées de virus utilisant un procédé développé par l'ancien stagiaire du Ph.D. de Culver, Elizabeth Royston. Une solution de TMV est appliquée à une plaque d'électrode en métal. Les modifications génétiques programment une extrémité du virus formé par tige pour fixer à la plaque. Prochaines ces forêts virales sont chimiquement enduites d'un métal conducteur, principalement nickel. Autre que sa structure, aucune trace du virus n'est présente dans le produit fini, qui ne peut pas transmettre un virus aux plantes ou aux animaux. Ce procédé est brevet en instance.

Ghodssi, stagiaire Konstantinos Gerasopoulos de Ph.D. de science des matériaux, et ancien associé post-doctoral Matthew McCarthy (maintenant un membre de la faculté à l'université de Drexel) ont employé cette technique de revêtement des métaux pour fabriquer des piles alcalines avec des techniques courantes de l'entreprise de semiconducteurs telle que la photolithographie et le dépôt de film mince.

Tandis que la première génération de leurs dispositifs employait les virus nickel-enduits pour les électrodes, publié de travail plus tôt cette année vérifié la faisabilité de structurer des électrodes avec du matériau actif a déposé sur chaque nanorod nickel-enduit, formant un nanocomposite de faisceau/shell où chaque particule de TMV contient un faisceau conducteur en métal et une shell de matériau actif. En collaboration avec Chunsheng Wang, un professeur dans le service du bureau d'études chimique et biomoléculaire, et de son stagiaire Xilin Chen de Ph.D., les chercheurs ont développé plusieurs techniques pour former des nanocomposites de silicium et de dioxyde de titane sur la matrice métallisée de TMV.  Cette architecture les deux stabilise la couche de matériau fragile et actif et lui fournit une liaison directe à l'électrode de batterie.

Dans la troisième et finale opération, Chen et Gerasopoulos assemblent ces électrodes dans les batteries lithium-ion de grande capacité expérimentales. Leur capacité peut être plusieurs fois plus haut que cela des matériaux en vrac et dans le cas du silicium, plus haut que cela des batteries commerciales actuelles.  

« les structures Virus-activées de nanorod sont faites sur mesure pour augmenter la quantité d'énergie de batteries peuvent enregistrer. Ils s'entretiennent un ordre de grandeur l'augmentation de la surface, stabilisez les matériaux assemblés et augmentez la conductivité, ayant pour résultat jusqu'à l'augmentation d'a10-fold de la capacité d'énergie au-dessus d'une batterie d'ion de lithium normale, » Wang a dit.

Une amélioration : puisque le TMV grippe le métal directement sur la surface conductrice pendant que les structures sont formées, de pas autres grippement ou agents de conduite sont nécessaires comme dans les technologies traditionnelles d'encre-bloc moulé qui sont employées pour la fabrication d'électrode.

« Notre méthode est seule parce qu'elle concerne la fabrication directe de l'électrode sur le collecteur de courant ; ceci rend la puissance de la batterie plus élevée, et sa durée de cycle plus longue, » a dit Wang.

L'utilisation du virus de TMV dans des batteries de fabrication peut être écaillée pour répondre aux besoins de production industrielle. « Le procédé est simple, peu coûteux, et renouvelable, » Culver ajoute. « En moyenne, une acre de tabac peut produire approximativement 2.100 livres de tissu de lame, fournissant approximativement une livre de TMV par livre de lames infectées, » il explique.

En même temps, des microbatteries très minuscules peuvent être produits utilisant cette technologie. « Notre technique de synthèse d'électrode, la surface élevée du TMV et la capacité pour modeler ces matériaux utilisant des procédés compatibles avec le microfabrication activent le développement de telles batteries miniaturisées, » Gerasopoulos ajoute.

Tandis que le centre de cette équipe de recherche a longtemps été sur le stockage de l'énergie, la souplesse d'utilisation structurelle de la matrice de TMV permet son utilisation dans un grand choix d'applications passionnantes. « Cette combinaison de la fabrication en kit et hiérarchisée biologique ascendante n'est pas limitée au développement de batterie seulement, » Ghodssi a dit. « Un des projets actuels de notre laboratoire vise le développement des détecteurs explosifs de dépistage utilisant des versions des TMV qui grippent le TNT sélecteur, augmentant la sensibilité du détecteur. En parallèle, nous collaborons avec nos collègues chez Drexel et le MIT pour construire les surfaces qui ressemblent la structure de la centrale part. Ces structures biomimetic peuvent être employées pour les études scientifiques fondamentales ainsi que le développement des surfaces et du micro hydrofuge nouveau/des caloducs nanos d'écaille. »

Le financement pour la recherche vient du National Science Foundation, du bureau de Département de l'énergie des sciences fondamentales d'énergie, de la société de développement des technologies du Maryland, et du laboratoire pour des sciences physiques à l'Université du Maryland. Le travail de James Culver est conduit en collaboration avec professeur d'Université de Purdue Michael Harris.

Source:

A. James Clark School of Engineering