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Microbaterías ensambladas por virus
A medida que los dispositivos electrónicos se hacen cada vez más pequeños, existe una demanda creciente de fuentes de energía igualmente minúsculas. Ahora, los investigadores del MIT han informado de un avance importante hacia la construcción de tales baterías microscópicas. Utilizaron un virus para ensamblar ánodos encima de las capas de electrolitos, dos de los tres componentes principales de una batería en funcionamiento, y los conectaron a superficies colectoras de corriente. Los componentes, descritos esta semana en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , tienen solo cuatro micrómetros de ancho y podrían encontrar aplicación en laboratorios en un chip u otros dispositivos médicos pequeños, dicen los investigadores.
Embalaje de energía: Los investigadores del MIT crearon microbaterías basadas en virus impresas en la parte superior de cuatro bandas de platino, que se ven expandiéndose hacia la izquierda. Dos filas de electrodos de batería, demasiado pequeñas para verse aquí, están alineadas en el extremo ahusado de cada banda de platino y cubiertas con papel de litio para pruebas eléctricas.
La construcción de baterías microscópicas ha resultado difícil en el pasado porque la proporción de material electroquímicamente activo dentro de una batería disminuye a medida que se reduce su tamaño. Otra tendencia en la electrónica es aplicar patrones a los dispositivos en superficies flexibles o curvas, a las que las fuentes de energía deben poder adaptarse. El trabajo del MIT sugiere que se pueden fabricar baterías pequeñas y fiables tanto a escala microscópica como incrustadas en una variedad de superficies.
Lo nuevo de esta investigación es tanto el tamaño [de los electrodos de la batería] como el proceso que usamos para colocarlos, dice Angela Belcher , profesor de ciencia de los materiales en el MIT, que colaboró con colegas Yet-Ming Chiang y Paula Hammond en el trabajo. Comenzaron grabando columnas de cuatro micrómetros de ancho y unos pocos micrómetros de alto en una superficie a base de silicio para crear un sello de manera efectiva. Luego depositaron capas alternas de dos polímeros diferentes, que sirvieron como el electrolito sólido y el separador de baterías, encima de estas columnas.
A continuación, un virus llamado M13 , que los investigadores han empleado en estudios anteriores de autoensamblaje, se utilizó para fabricar el ánodo. El virus está compuesto de proteínas, que pueden modificarse genéticamente para reaccionar con determinadas sustancias. En este caso, generó matrices estructuradas de nanocables de óxido de cobalto encima del electrolito sólido. Finalmente, los electrodos ensamblados se voltearon y presionaron sobre bandas delgadas de platino, que se unieron a un contacto de cobre para recolectar la corriente del dispositivo.
Los investigadores probaron el rendimiento del dispositivo utilizando una capa de papel de aluminio y encontraron que la calidad de los electrodos es exactamente la misma que antes, dice Belcher, refiriéndose a las demostraciones anteriores del grupo de baterías más grandes ensambladas con virus. Agrega que el ánodo de óxido de cobalto tiene una capacidad de almacenamiento de carga mucho mayor que los electrodos a base de carbono que se usan típicamente en las baterías de iones de litio, y que es estable durante la carga y descarga. También tiene una mayor densidad de material activo que las baterías convencionales.
Otras ventajas del ensamblaje de virus incluyen el funcionamiento a temperatura ambiente y el control preciso sobre el tamaño y el espaciado de los nanomateriales, lo que conduce a dispositivos uniformes y fácilmente reproducibles. El próximo objetivo de los investigadores es agregar un cátodo ensamblado por virus para crear una batería completa. Como han experimentado con diferentes materiales y han fabricado cátodos a mayor escala, Belcher dice que la incorporación de micro cátodos en el método de impresión es definitivamente posible. En el futuro, agrega, trabajarán hacia dispositivos con mayor densidad de energía y creando dispositivos que sean biocompatibles.