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Baterías ensambladas con virus
Más de la mitad del peso y tamaño de las baterías actuales proviene de materiales de soporte que no contribuyen en nada al almacenamiento de energía. Ahora, los investigadores han demostrado que los virus modificados genéticamente pueden ensamblar materiales de batería activos en una estructura compacta y regular, para hacer un electrodo de batería ultradelgado y transparente que almacena casi tres veces más energía que los de las baterías de iones de litio actuales. Es el primer paso hacia baterías de autoensamblaje de alta capacidad.
Las aplicaciones podrían incluir baterías de alta energía laminadas de manera invisible en pantallas planas en teléfonos celulares y computadoras portátiles o adaptadas para adaptarse a los audífonos. La misma técnica de ensamblaje también podría conducir a catalizadores y paneles solares más efectivos, según los investigadores del MIT que desarrollaron la tecnología, al permitir controlar con precisión las posiciones de los materiales inorgánicos.
La mayor parte se hizo a través de manipulación genética, lo que le dio a un organismo que normalmente no fabricaría electrodos de batería la información para hacer un electrodo de batería y ensamblarlo en un dispositivo, dice Angela Belcher, investigadora del proyecto y profesora de MIT ciencia e ingeniería de materiales e ingeniería biológica. Mi sueño es tener una secuencia de ADN que codifique la síntesis de materiales y luego sacar de un vaso de precipitados un dispositivo. Y creo que este es un gran paso en ese camino.
Los investigadores, en un trabajo informado en línea esta semana en Ciencias , utilizaron virus M13 para hacer el electrodo positivo de una batería de iones de litio, que probaron con un electrodo negativo convencional. El virus está compuesto de proteínas, la mayoría de las cuales se enrollan para formar un cilindro largo y delgado. Al agregar secuencias de nucleótidos al ADN del virus, los investigadores dirigieron estas proteínas para que se formaran con un aminoácido adicional que se uniera a los iones de cobalto. Los virus con estas nuevas proteínas luego se recubren con iones de cobalto en una solución, que eventualmente conduce, después de las reacciones con agua, a óxido de cobalto, un material de batería avanzado con una capacidad de almacenamiento mucho mayor que los materiales a base de carbono que ahora se usan en iones de litio. baterías.
Para hacer un electrodo, los investigadores primero sumergen un electrolito de polímero en una solución de virus diseñados. Los virus se ensamblan en una capa uniforme sobre el electrolito. Este electrolito recubierto luego se sumerge en una solución que contiene materiales de batería. Los virus organizan estos materiales en una estructura cristalina ordenada adecuada para baterías de alta densidad.
[Haga clic aquí para ver una ilustración del proceso de formación de la batería].
Estos electrodos demostraron tener el doble de capacidad que los basados en carbono. Para mejorar esto aún más, los investigadores volvieron a recurrir a la ingeniería genética. Mientras mantenían el código genético para el ensamblaje de cobalto, agregaron una hebra adicional de ADN que produce proteínas de virus que se unen al oro. Luego, los virus se ensamblaron como nanocables compuestos de óxido de cobalto y partículas de oro, y los electrodos resultantes almacenaron un 30 por ciento más de energía.
El uso de virus para ensamblar materiales inorgánicos tiene varias ventajas, dice Daniel Morse, profesor de genética molecular y bioquímica en la Universidad de California, Santa Bárbara. Primero, la ubicación de las proteínas y el cobalto y el oro que se unen a ellas es precisa. El virus también puede reproducirse rápidamente, proporcionando una gran cantidad de material de partida, lo que sugiere que se trata de una técnica de fabricación que podría escalar rápidamente. Y este método de ensamblaje no requiere los costosos procesos que se utilizan ahora para fabricar materiales de batería.
Podría hacer esto a nivel industrial muy rápido, dice Brent Iverson, profesor de química orgánica y bioquímica en la Universidad de Texas en Austin. No puedo imaginar una forma más barata de moldear o andamiar nanopartículas.
Yet-Ming Chiang, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en el MIT y uno de los colaboradores de Belcher, dice que, si bien las pequeñas baterías diseñadas para aplicaciones específicas podrían fabricarse utilizando este proceso en un par de años, queda mucho trabajo por hacer. Por ejemplo, el óxido de cobalto podría no ser el mejor material, por lo que los investigadores diseñarán virus para que se unan a otros materiales.
Una de las formas en que lo han hecho en el pasado es mediante un proceso llamado evolución dirigida. Combinan colecciones de virus con millones de variaciones aleatorias en un frasco que contiene una parte del material al que quieren que se una el virus. Algunos de los virus tienen proteínas que se unen al material. El aislamiento de estos virus es un proceso simple de lavado de la pieza de material; solo quedan los virus unidos al material. A continuación, se puede permitir que se reproduzcan. Después de algunas rondas de unión y lavado, solo quedan los virus con la mayor afinidad por el material.
Los investigadores también quieren crear virus que también ensamblen el electrodo negativo. Luego cultivarían los electrodos positivo y negativo en lados opuestos de un electrolito de polímero autoensamblante desarrollado por Paula Hammond *, otra importante contribuyente al proyecto. Esto crearía baterías autoensambladas, no solo electrodos. Otro objetivo es hacer baterías interdigitadas en las que se alternen los materiales de los electrodos negativos y positivos, como las púas de dos peines presionados juntos; esto podría acumular más energía y dar lugar a baterías que entreguen esa energía en ráfagas más potentes.
Y las baterías podrían ser solo el comienzo. Dado que los virus tienen diferentes proteínas en diferentes ubicaciones, una proteína en el centro y otras en los extremos, los investigadores pueden crear virus que se unan a un material en el medio y diferentes materiales en los extremos. El grupo de Belcher ya ha producido virus que se recubren con semiconductores y luego se adhieren en los extremos a electrodos de oro, lo que podría llevar a que los transistores funcionen.
Si puede hacer baterías que realmente sean efectivas de esta manera, las aplicaciones podrían ser asombrosas, dice Iverson.
* Corrección : El trabajo de la batería de virus fue el resultado de una colaboración entre investigadores del MIT. El artículo original menciona a Angela Belcher y Yet-Ming Chiang. Una parte importante de este trabajo fue el desarrollo de un electrolito de polímero autoensamblante por Paula Hammond, profesora de ingeniería química del MIT.
Imagen de la página de inicio cortesía de Angela Belcher, MIT.