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Gli nano-elettrodi virale strutturati amplificano la capacità di energia composta di dieci parti

I virus hanno un Male rappresentante-e giustamente così. L'abilità di un virus a rapidamente e precisamente ripiegato stessa le rende un flagello distruttivo agli animali ed alle piante simili. Ora un gruppo interdisciplinare dei ricercatori all'università di banco del A. James Clark di Maryland di assistenza tecnica ed istituto universitario dell'agricoltura e risorse naturali, riuniti dal professor Reza Ghodssi, sta girando le tabelle, sta sfruttando e sfruttando “i beni autorinnovanti„ e “dimontaggi„ dei virus per un più alto scopo: per sviluppare di piccole, batterie di una nuova generazione e pile a combustibile potenti ed altamente efficienti.

Il virus del mosaico del tabacco rigido e a forma di bastoncino (TMV), che sotto un microscopio elettronico assomiglia agli spaghetti crudi, è un virus di impianto ben noto e diffuso che devasta il tabacco, i pomodori, i peperoni e l'altra vegetazione. Ma in laboratorio, gli ingegneri hanno scoperto che possono sfruttare le caratteristiche di TMV per sviluppare le componenti minuscole per gli Accumulatori liti-ione del futuro. Possono modificare i coni retinici di TMV per legare perpendicolarmente alla superficie metallica di un elettrodo della batteria e per sistemare i coni retinici nei reticoli complessi ed ordinati sull'elettrodo. Poi, ricoprono i coni retinici di pellicola sottile conduttiva che funge da collettore di corrente e definitivo materiale attivo della batteria che partecipa alle reazioni elettrochimiche.

Di conseguenza, i ricercatori possono notevolmente aumentare l'area dell'elettrodo e la sua capacità di memorizzare l'energia e permettere ai tempi veloci scarico/della tassa. TMV diventa inerte durante il processo di fabbricazione; le batterie risultanti non trasmettono il virus. Le nuove batterie, tuttavia, hanno fino ad un aumento di 10 volte nella capacità di energia sopra un Accumulatore litio-ione standard.

“Le batterie risultanti sono un salto in avanti in molti modi e saranno ideali per uso non solo in piccoli apparecchi elettronici ma nelle applicazioni novelle che sono state limitate finora dalla dimensione della batteria richiesta,„ ha detto Ghodssi, Direttore dell'istituto per la ricerca dei sistemi e professore di Herbert Rabin di elettrico e dell'ingegneria informatica al banco di Clark. “La tecnologia che abbiamo sviluppato può essere usata per produrre le unità di immagazzinamento dell'energia per i microsistemi integrati quali le reti wireless dei sensori. Questi sistemi devono essere realmente piccoli nel dimensione-millimetro o nel sotto-millimetro-così che possono essere spiegati in grandi numeri negli ambienti remoti per le applicazioni come obbligazione di patria, l'agricoltura, controllo ambientale e più; per alimentare queste unità, le batterie ugualmente piccole sono richieste, senza compromettere nella prestazione.„

Il nanostructure di TMV è la dimensione e la forma ideali da usare come modello per gli elettrodi di costruzione della batteria. I sui beni biologici direplica e dimontaggio producono le strutture che sono sia complesse che ordinate, che aumenta la capacità di memoria e di potenza delle batterie che le incorporano. Poiché TMV può essere programmato per legare direttamente per metal, le componenti risultanti sono accendino, più forti e meno costosi che le parti convenzionali.

Tre punti distinti sono compresi nella produzione della batteria basata TMV: modificando, propagando e preparando il TMV; elaborare il TMV per coltivare i nanorods su un di piastra metallica; ed incorporando le lastre grosse nanorod-rivestite nelle batterie rifinite. Cattura un gruppo interdisciplinare degli scienziati di UM e dei loro studenti per permettere ogni punto.

James Culver, un membro dell'istituto per scienze biologiche e biotecnologia e un professore nel dipartimento di architettura di giardini dell'agronomia ed e ricercatore Adam Brown già aveva sviluppato le modifiche genetiche ai TMV che gli permettono chimicamente di essere ricoperti di metalli conduttivi. Per questo progetto estraggono abbastanza del virus su misura appena da alcune piante di tabacco sviluppate in laboratorio per sintetizzare le centinaia di elettrodi della batteria. Il TMV estratto è poi pronto per il punto seguente.

Gli scienziati producono una foresta dei coni retinici verticalmente stati allineati del virus facendo uso di un trattamento sviluppato dall'ex studente del Ph.D. di Culver, Elizabeth Royston. Una soluzione di TMV si applica ad una lastra grossa dell'elettrodo del metallo. Le modifiche genetiche programmano un'estremità di virus a forma di bastoncini per fissare alla lastra grossa. Queste foreste virali seguenti chimicamente sono ricoperte di metallo conduttivo, pricipalmente nichel. All'infuori della sua struttura, non c'è nessuna traccia del virus presente nel prodotto finito, che non può trasmettere un virus alle piante o agli animali. Questo trattamento è brevetto-in corso.

Ghodssi, lo studente Konstantinos Gerasopoulos di Ph.D. di scienza dei materiali e l'ex socio postdottorale Matthew McCarthy (ora un docente alla Drexel University) hanno usato questa tecnica del rivestimento dei metalli per da costruzione gli accumulatori alcalini con le tecniche comuni dall'industria a semiconduttore quali fotolitografia ed il deposito della pellicola sottile.

Mentre la prima generazione delle loro unità ha usato i virus nichel-rivestiti per gli elettrodi, l'opera pubblicata all'inizio di quest'anno ha studiato la possibilità di struttura degli elettrodi con il materiale attivo depositato sopra ogni nanorod nichel-rivestito, formante un nanocomposite shell/di nucleo in cui ogni particella di TMV contiene un nucleo conduttivo del metallo e uno shell del materiale attivo. In collaborazione con Chunsheng Wang, un professore nel dipartimento di assistenza tecnica chimica e biomolecolare e del suo studente Xilin Chen di Ph.D., i ricercatori ha sviluppato parecchie tecniche per formare i nanocomposites di silicio e di biossido di titanio sul modello metallizzato di TMV.  Questa architettura entrambe stabilizza il rivestimento del materiale fragile e attivo e gli fornisce un collegamento diretto all'elettrodo della batteria.

Al terzo ed alla tappa finale, Chen e Gerasopoulos montano questi elettrodi negli Accumulatori liti-ione di grande capacità sperimentali. La loro capacità può essere parecchie volte più superiore a quella dei materiali alla rinfusa e nel caso di silicio, più superiore a quello delle batterie commerciali correnti.  

“le strutture Virus-permesse a del nanorod sono su misura per l'aumento della quantità di batterie di energia possono memorizzare. Confer un aumento di ordine di grandezza nell'area, stabilizzano i materiali montati ed aumentano la conducibilità, con conseguente fino ad aumento di a10-fold nella capacità di energia sopra un Accumulatore litio-ione standard,„ Wang ha detto.

Un premio: poiché il TMV lega il metallo direttamente sulla superficie conduttiva mentre le strutture sono formate, nessun'altra associazione o agente di conduzione è necessaria come nelle tecnologie tradizionali della inchiostro-colata che sono usate per montaggio dell'elettrodo.

“Il nostro metodo è unico in quanto comprende la lavorazione diretta dell'elettrodo sul collettore di corrente; ciò rende la potenza della batteria più alta e la sua vita di ciclo più lunga,„ ha detto Wang.

L'uso del virus di TMV in batterie da costruzione può essere sottoposto a operazioni di disgaggio su per soddisfare le esigenze di produzione industriale. “Il trattamento è semplice, economico e rinnovabile,„ Culver aggiunge. “In media, un acro di tabacco può produrre circa 2.100 libbre di tessuto della foglia, rendenti circa una libbra di TMV per libbra di foglie infettate,„ lui spiega.

Allo stesso tempo, i microbatteries molto minuscoli possono essere prodotti facendo uso di questa tecnologia. “La nostra tecnica della sintesi dell'elettrodo, l'alta area del TMV e la capacità per modellare questi materiali facendo uso dei trattamenti compatibili con la microfabbricazione permettono allo sviluppo di tali batterie miniaturizzate,„ Gerasopoulos aggiunge.

Mentre il fuoco di questo gruppo di ricerca lungamente è stato in immagazzinamento dell'energia, la versatilità strutturale del modello di TMV permette il suo uso in varie applicazioni emozionanti. “Questa combinazione di auto-installazione biologica dal basso e di fabbricazione dall'alto in basso non è limitata allo sviluppo della batteria soltanto,„ Ghodssi ha detto. “Uno dei progetti in corso del nostro laboratorio sta puntando sullo sviluppo dei sensori esplosivi di rilevazione facendo uso delle versioni dei TMV che legano selettivamente TNT, aumentanti la sensibilità del sensore. Parallelamente, stiamo collaborando con i nostri colleghi a Drexel ed il MIT per costruire le superfici che somigliano alla struttura dell'impianto va. Queste strutture biomimetic possono essere usate per gli studi scientifici di base come pure lo sviluppo delle superfici idrorepellenti novelle e micro/condotti termici nani del disgaggio.„

Il finanziamento per la ricerca viene dal National Science Foundation, dal Dipartimento per l'energia l'ufficio delle scienze di base di energia, dalla società per azioni di sviluppo tecnologico di Maryland e dal laboratorio per le scienze fisiche all'università del Maryland. Il lavoro di James Culver è condotto in collaborazione con il professor Michael Harris di Purdue University.

Source:

A. James Clark School of Engineering