Os nano-eléctrodos Virally estruturados impulsionam a dez-dobra da capacidade de energia

Os vírus têm um mau representante-e direita assim. A capacidade de um vírus replicate a rapidamente e precisamente faz-lhe um flagelo destrutivo aos animais e às plantas semelhantes. Agora uma equipe interdisciplinar dos pesquisadores na universidade da escola do A. James Clark de Maryland da engenharia e a faculdade da agricultura e recursos naturais, reunidas pelo professor Reza Ghodssi, está girando as tabelas, está aproveitando e está explorando “as propriedades derenovação” e “demontagem” dos vírus para uma finalidade mais alta: para construir de baterias de uma nova geração e de células combustíveis pequenas, poderosas e altamente eficientes.

O vírus de mosaico de tabaco rígido, haste-dado forma (TMV), que sob um microscópio de elétron olha como os espaguetes crus, é um vírus de planta conhecido e difundido que devaste o tabaco, os tomates, as pimentas, e a outra vegetação. Mas no laboratório, os coordenadores descobriram que podem aproveitar as características de TMV para construir componentes minúsculos para as baterias de íon de lítio do futuro. Podem alterar as hastes de TMV para ligar perpendicular à superfície metálica de um eléctrodo da bateria e para arranjar as hastes em testes padrões intrincados e em ordem no eléctrodo. Então, revestem as hastes com um filme fino condutor que actue como um colector actual e finalmente o material activo da bateria que participa nas reacções electroquímicas.

Em conseqüência, os pesquisadores podem extremamente aumentar a área de superfície do eléctrodo e sua capacidade armazenar a energia e permitir tempos rápidos da carga/descarga. TMV torna-se inerte durante o processo de manufactura; as baterias resultantes não transmitem o vírus. As baterias novas, contudo, têm até 10 vezes um aumento na capacidade de energia sobre uma bateria de íon de lítio padrão.

“As baterias resultantes são um pulo para a frente de várias maneiras e serão ideais para o uso não somente em dispositivos electrónicos pequenos mas nas aplicações novas que têm sido limitadas até agora pelo tamanho da bateria exigida,” disse Ghodssi, director do instituto para a pesquisa dos sistemas e o professor de Herbert Rabin de elétrico e da engenharia informática na escola de Clark. “A tecnologia que nós desenvolvemos pode ser usada para produzir dispositivos de armazenamento da energia para microsistemas integrados tais como redes sem fio dos sensores. Estes sistemas têm que ser realmente pequenos no tamanho-milímetro ou no secundário-milímetro-assim que podem ser distribuídos em grandes números em ambientes remotos para aplicações como a segurança interna, agricultura, monitorização ambiental e mais; para pôr estes dispositivos, as baterias ingualmente pequenas são exigidas, sem comprometer no desempenho.”

O nanostructure de TMV é o tamanho e a forma ideais a usar-se como um molde para os eléctrodos de construção da bateria. Suas propriedades biológicas auto-replicating e demontagem produzem as estruturas que são intrincadas e em ordem, que aumenta a capacidade da potência e de armazenamento das baterias que as incorporam. Porque TMV pode ser programado para ligar directamente para metal, os componentes resultantes são isqueiro, mais fortes e menos caros do que as peças convencionais.

Três etapas distintas são envolvidas em produzir uma bateria TMV-baseada: alterando, propagando e preparando o TMV; processando o TMV para crescer nanorods em uma placa de metal; e incorporando as placas nanorod-revestidas em baterias terminadas. Toma uma equipe interdisciplinar de cientistas do UM e de seus estudantes para tornar cada etapa possível.

James Culver, um membro do instituto para a ciência biológica e a biotecnologia e um professor no departamento da ciência e a arquitectura paisagística de planta, e pesquisador Adam Brown tinha desenvolvido já alterações genéticas aos TMV que a permitem de ser revestidos quimicamente com os metais condutores. Para este projecto extraem bastante do vírus personalizado apenas de algumas plantas de tabaco crescidas no laboratório para sintetizar centenas de eléctrodos da bateria. O TMV extraído está então pronto para o passo seguinte.

Os cientistas produzem uma floresta das hastes verticalmente alinhadas do vírus usando um processo desenvolvido pelo estudante anterior do Ph.D. de Culver, Elizabeth Royston. Uma solução de TMV é aplicada a uma placa do eléctrodo do metal. A extremidade genética do programa um das alterações da haste deu forma ao vírus para anexar à placa. Estas florestas virais seguintes são revestidas quimicamente com um metal condutor, principalmente níquel. A não ser sua estrutura, nenhum traço do vírus esta presente no produto acabado, que não pode transmitir um vírus às plantas ou aos animais. Este processo é patente-pendente.

Ghodssi, o estudante Konstantinos Gerasopoulos do Ph.D. da ciência de materiais, e o associado pos-doctoral anterior Matthew McCarthy (agora um membro da faculdade na universidade de Drexel) usaram esta técnica do metal-revestimento para fabricar baterias alcalinas com técnicas comuns da indústria do semicondutor tal como o depósito da fotolitografia e do filme fino.

Quando a primeira geração de seus dispositivos usou os vírus níquel-revestidos para os eléctrodos, o trabalho publicado no começo desse ano investigou a possibilidade de estruturar os eléctrodos com o material activo depositado sobre cada nanorod níquel-revestido, formando um nanocomposite do núcleo/escudo onde cada partícula de TMV contivesse um núcleo condutor do metal e um escudo do material activo. Em colaboração com Chunsheng Wang, um professor no departamento da engenharia química e biomolecular, e do seu estudante Xilin Chen do Ph.D., os pesquisadores desenvolveu diversas técnicas para formar nanocomposites do dióxido do silicone e o titanium no molde metalizado de TMV.  Esta arquitetura ambos estabiliza o revestimento do material frágil, activo e fornece-o uma conexão directa ao eléctrodo da bateria.

No terço e no passo final, Chen e Gerasopoulos montam estes eléctrodos nas baterias de alta capacidade experimentais do lítio-íon. Sua capacidade pode ser diversas vezes mais altamente do que aquela de materiais de maioria e no caso do silicone, mais altamente do que aquele de baterias comerciais actuais.  

“as estruturas Vírus-permitidas do nanorod são específicas para aumentar a quantidade de baterias da energia podem armazenar. Confer um aumento do ordem de grandeza na área de superfície, estabilizam os materiais montados e aumentam a condutibilidade, tendo por resultado até o aumento de a10-fold na capacidade de energia sobre uma bateria de íon de lítio padrão,” Wang disse.

Um bônus: desde que o TMV liga o metal directamente na superfície condutora enquanto as estruturas são formadas, não outros emperramento ou agentes de condução são necessário como nas tecnologias tradicionais da tinta-carcaça que são usadas para a fabricação do eléctrodo.

“Nosso método é original que envolve a fabricação directa do eléctrodo no colector actual; isto faz a potência de bateria mais alta, e sua vida de ciclo mais longa,” disse Wang.

O uso do vírus de TMV em baterias de fabricação pode ser escalado acima para encontrar necessidades da produção industrial. “O processo é simples, barato, e renovável,” Culver adiciona. “Em média, um acre do tabaco pode produzir aproximadamente 2.100 libras de tecido da folha, rendendo aproximadamente uma libra de TMV pela libra de folhas contaminadas,” ele explica.

Ao mesmo tempo, os microbatteries muito minúsculos podem ser produzidos usando esta tecnologia. “Nossa técnica da síntese do eléctrodo, a área de superfície alta do TMV e a capacidade para modelar estes materiais que usam os processos compatíveis com microfabrication permitem a revelação de tais baterias miniaturizadas,” Gerasopoulos adiciona.

Quando o foco desta equipa de investigação estiver por muito tempo no armazenamento de energia, a versatilidade estrutural do molde de TMV permite seu uso em uma variedade de aplicações emocionantes. “Esta combinação de auto-conjunto biológico de baixo para cima e de fabricação invertido não é limitada à revelação da bateria somente,” Ghodssi disse. “Um dos projectos em curso do nosso laboratório está visando a revelação de sensores explosivos da detecção usando as versões dos TMV que ligam TNT selectivamente, aumentando a sensibilidade do sensor. Paralelamente, nós estamos colaborando com nossos colegas em Drexel e o MIT para construir as superfícies que se assemelham a estrutura da planta sae. Estas estruturas biomimetic podem ser usadas para estudos científicos básicos assim como a revelação de superfícies a prova d'agua novas e micro/tubulações de calor nano da escala.”

O financiamento para a pesquisa vem do National Science Foundation, do Ministério do escritório da Energia de ciências básicas da energia, da corporação de desenvolvimento da tecnologia de Maryland, e do laboratório para ciências físicas na Universidade de Maryland. O trabalho de James Culver é conduzido em colaboração com o catedrático Michael Harris de Purdue.

Source:

A. James Clark School of Engineering