Los nano-electrodos viral estructurados refuerzan la capacidad de energía décupla

Los virus tienen un malo representante-y derecho tan. La capacidad de un virus a rápidamente y exacto replegado sí mismo le hace un látigo destructivo a los animales y a las instalaciones semejantes. Ahora las personas interdisciplinarias de investigadores en la universidad de la escuela de A. James Clark de Maryland de la ingeniería y universidad de la agricultura y los recursos naturales, reunidas por profesor Reza Ghodssi, están girando las tablas, están aprovechando y están explotando de “las propiedades uno mismo-renovación” y de “uno mismo-montaje” de los virus para un propósito más alto: para construir una nueva generación de baterías y de pilas de combustible pequeñas, potentes y muy eficientes.

El virus de mosaico de tabaco rígido, varilla-dado forma (TMV), que bajo un microscopio electrónico parece los espaguetis crudos, es un virus de las plantas bien conocido y disperso que devasta el tabaco, los tomates, las pimientas, y la otra vegetación. Pero en el laboratorio, los ingenieros han descubierto que pueden aprovechar las características de TMV para construir los componentes minúsculos para las baterías de ión de litio del futuro. Pueden modificar las varillas de TMV para atar perpendicular a la superficie metálica de un electrodo de la batería y para arreglar las varillas en configuraciones complejas y ordenadas en el electrodo. Entonces, recubren las varillas con una película fina conductora que actúe como colector actual y finalmente el material activo de la batería que participa en las reacciones electroquímicas.

Como consecuencia, los investigadores pueden aumentar grandemente la superficie del electrodo y su capacidad de salvar energía y de habilitar tiempos rápidos de la carga/de licenciamiento. TMV llega a estar inerte durante el proceso de fabricación; las baterías resultantes no transmiten el virus. Las nuevas baterías, sin embargo, tienen hasta un aumento de diez veces en capacidad de energía sobre una batería de ión de litio estándar.

“Las baterías resultantes son un salto adelante en gran medida y serán ideales para el uso no sólo en pequeños dispositivos electrónicos pero en los usos nuevos que han sido limitados hasta ahora por la talla de la batería requerida,” dijo a Ghodssi, director del instituto para la investigación de los sistemas y el profesor de Herberto Rabin de eléctrico y de la ingeniería informática en la escuela de Clark. “La tecnología que hemos desarrollado se puede utilizar para producir los dispositivos de almacenamiento de la energía para los microsistemas integrados tales como redes inalámbricas de los sensores. Estos sistemas tienen que ser realmente pequeños en talla-milímetro o sub-milímetro-tan que pueden ser desplegados en grandes números en los ambientes alejados para los usos como la seguridad de patria, agricultura, control del medio ambiente y más; para mover por motor estos dispositivos, las baterías igualmente pequeñas se requieren, sin el compromiso en funcionamiento.”

El nanostructure de TMV es la talla y la forma ideales a utilizar como patrón para los electrodos constructivos de la batería. Sus propiedades biológicas de uno mismo-repliegue y de uno mismo-montaje producen las estructuras que son complejas y ordenadas, que aumenta la potencia y la memoria de las baterías que las incorporan. Porque TMV se puede programar para atar directamente para metal, los componentes resultantes son encendedor, más fuertes y menos costosos que piezas convencionales.

Tres pasos distintos están implicados en producir una batería TMV-basada: modificando, propagando y preparando el TMV; tramitación del TMV para crecer nanorods en una placa de metal; e incorporando las placas nanorod-revestidas en las baterías acabadas. Toma a personas interdisciplinarias de los científicos del UM y de sus estudiantes para hacer cada paso posible.

James Culver, pieza del instituto para la ciencia biológica y biotecnología y profesor en el departamento de la botánica y configuración de paisaje, e investigador Adán Brown había desarrollado ya modificaciones genéticas a los TMV que le permiten químicamente estar recubiertos con los metales conductores. Para este proyecto extraen suficiente del virus modificado para requisitos particulares apenas de algunas instalaciones de tabaco crecidas en el laboratorio para sintetizar centenares de electrodos de la batería. El TMV extraído está entonces listo para el paso siguiente.

Los científicos producen un bosque de las varillas verticalmente alineadas del virus usando un proceso desarrollado por el estudiante anterior del Ph.D. de Culver, Elizabeth Royston. Una solución de TMV se aplica a una placa del electrodo del metal. Las modificaciones genéticas programan un extremo del virus dado forma varilla para sujetar a la placa. Los estos bosques virales siguientes químicamente están recubiertos con un metal conductor, principal níquel. Con excepción de su estructura, no hay trazo del virus presente en el producto final, que no puede transmitir un virus a las instalaciones o a los animales. Este proceso está patente-pendiente.

Ghodssi, el estudiante Konstantinos Gerasopoulos del Ph.D. de la ciencia material, y el socio postdoctoral anterior Matthew McCarthy (ahora miembro del profesorado en la universidad de Drexel) han utilizado esta técnica de la metal-capa para fabricar los acumuladores alcalinos con técnicas comunes de la industria del semiconductor tal como fotolitografía y deposición de la película fina.

Mientras que la primera generación de sus dispositivos utilizó los virus níquel-revestidos para los electrodos, el trabajo publicado a principios de este año investigó la viabilidad de estructurar los electrodos con el material activo depositado encima de cada nanorod níquel-revestido, formando un nanocomposite de la base/de la granada donde cada partícula de TMV contiene una base conductora del metal y una granada del material activo. En colaboración con Chunsheng Wang, un profesor en el departamento de la ingeniería química y biomolecular, y de su estudiante Xilin Chen del Ph.D., los investigadores ha desarrollado varias técnicas para formar nanocomposites del silicio y del dióxido de titanio en el patrón metalizado de TMV.  Esta configuración ambas estabiliza la capa del material frágil, activo y provee de ella una conexión directa al electrodo de la batería.

En el tercer y final paso, Chen y Gerasopoulos montan estos electrodos en las baterías de ión de litio de gran capacidad experimentales. Su capacidad puede ser varias veces más arriba que eso de materiales a granel y en el caso del silicio, más arriba que el de baterías comerciales actuales.  

las “estructuras Virus-habilitadas del nanorod se hacen a medida para aumentar la cantidad de baterías de la energía pueden salvar. Consultan un aumento del orden de magnitud en la superficie, estabilice los materiales montados y aumente la conductividad, dando por resultado hasta aumento de a10-fold en la capacidad de energía sobre una batería de ión de litio estándar,” Wang dijo.

Un premio: puesto que el TMV ata el metal directamente sobre la superficie conductora mientras que se forman las estructuras, no otro atascamiento o agentes de conducto se necesita como en las tecnologías tradicionales de la tinta-fundición que se utilizan para la fabricación del electrodo.

“Nuestro método es único en que implica la fabricación directa del electrodo sobre el colector actual; esto hace la potencia de batería más alta, y su vida de ciclo más larga,” dijo Wang.

El uso del virus de TMV en baterías de fabricación se puede aumentar proporcionalmente para cubrir necesidades de la producción industrial. “El proceso es simple, barato, y renovable,” Culver agrega. “Por término medio, un acre de tabaco puede producir aproximadamente 2.100 libras del tejido de la hoja, rindiendo aproximadamente una libra de TMV por la libra de hojas infectadas,” él explica.

Al mismo tiempo, los microbatteries muy minúsculos se pueden producir usando esta tecnología. “Nuestra técnica de la síntesis del electrodo, la alta superficie del TMV y la capacidad para modelar estos materiales usando los procesos compatibles con el microfabrication habilitan el revelado de tales baterías miniaturizadas,” Gerasopoulos agrega.

Mientras que el foco de este equipo de investigación ha estado de largo en almacenamiento de energía, la flexibilidad estructural del patrón de TMV permite su uso en una variedad de usos emocionantes. “Esta combinación del uno mismo-montaje biológico ascendente y de la fabricación de arriba hacia abajo no se limita al revelado de la batería solamente,” Ghodssi dijo. “Uno de los proyectos en curso de nuestro laboratorio está teniendo como objetivo el revelado de los sensores explosivos de la detección usando las versiones de los TMV que atan TNT selectivamente, aumentando la sensibilidad del sensor. Paralelamente, estamos colaborando con nuestros colegas en Drexel y el MIT para construir las superficies que se asemejan la estructura de la instalación se va. Estas estructuras biomimetic se pueden utilizar para los estudios científicos básicos así como el revelado de superficies impermeables nuevas y de tubos de calor micros/nanos de la escala.”

El financiamiento para la investigación viene del National Science Foundation, del Ministerio de oficina de la Energía de las ciencias básicas de la energía, de la corporación de revelado de tecnología de Maryland, y del laboratorio para las ciencias físicas en la Universidad de Maryland. El trabajo de James Culver conducto en colaboración con el catedrático Michael Harris de Purdue.

Source:

A. James Clark School of Engineering