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未来的电池,可能是用病毒做的

2020-3-10 13:59| 发布者: 西独欧阳风| 查看: 407| 评论: 0|原作者: 李超凡|来自: 爱范儿

摘要: 病毒也可以造福人类。

新冠病毒,已经成为目前全世界最大的敌人。

它让很多人只能「自囚」于家中,社畜们结束了 996 生活 ,却迎来了 007 的在家办公,还逼得小学生组队给网课软件打一星。

它让我们不得不压抑自己的消费欲望,全球电影业因疫情面临 50 亿美元损失,全球航空业的收入则可能减少 1130 亿美元

▲ 图片来自:纽约时报

在这个特殊时期,似乎没有人想和病毒扯上关系,可也有科学家想利用病毒造福人类。

麻省理工学院的一位生物工程教授安吉拉·贝尔彻(Angela Belcher),已经成功研制出用病毒制造的电池,而她的终极梦想,是能够驾驶由 「病毒电池」驱动的汽车

制造病毒电池

病毒电池其实不是最近才出现的技术,早在 2009 年,由安吉拉·贝尔彻带领的科研团队就已经利用一种直径只有 6 纳米的病毒,制造出只有细胞大小的微型电池。

这项研究还吸引了时任美国总统奥巴马的兴趣,贝尔彻受邀前往白宫为奥巴马展示了这种病毒电池。当时奥巴马正计划投入 20 亿美元用于支持新电池技术的开发,而贝尔彻的病毒电池则揭示了电池领域一个新的方向。

▲ . 图片来自:wired

到底科学家是怎么用病毒来制造电池的?病毒电池和普通电池又有什么不同?要解答这些问题,首先需要简单了解电池的工作原理。

一般的锂电池的放电和充电,是内部的锂离子通过电解液在正极和负极之间运动实现的,正极使用的材料一般为磷酸盐,无论是硫酸盐还是锂离子,这种材料也广泛存在地球各种生命体中,因此用生物来制作电池在逻辑上是可行的。

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不过要制造这种电池,首先就要找到可以充当电极和导线的生物结构。一开始贝尔彻打算用采用人造神经纤维,因为动物的神经纤维末梢就是天然的纳米导线,但这种方式的成本和技术难度都太高,最终只能放弃。

后来贝尔彻在鲍鱼壳身上找到了答案,他们发现鲍鱼可以分泌出一种蛋白质,可从富含矿物质的水中提取碳酸钙分子,并让其在体内定向排列,从而形成鲍鱼壳。于是贝尔彻将编码这种蛋白的基因移植到病毒,让病毒拥有生成纳米结构的能力,用来制作电极和导线。

▲鲍鱼壳. 图片来自:Monad Centre of Balance

在自然情况下,鲍鱼要形成一个完整的贝壳需要 15 年,而经过基因编辑,在实验室内病毒生产一个电极只需要两星期。

研究团队在分析了数百万种病毒后,最后选择了 M13 噬菌体,这是一种形似雪茄的病毒,直径只有 6 纳米,长度 880 纳米。这种病毒除了可以将机械能转化为电能,而且遗传物质简单,易于操控。

与鲍鱼类似,这种病毒会在表面生成一种蛋白质,吸附氧化钴微粒并覆盖在外壳,当数百万个病毒连接起来,就能形成一条氧化钴线,可以作为电极使用。

在这个过程中,这些连成一线的病毒都是活的。众所周知,病毒需要宿主才能存活,研究人员将病毒感染无害的细菌,来大量复制病毒。

通过这种方式制造的电池,不仅能提升电池的能量密度、寿命和充电效率,生产过程也更加环保。相比于微型电池所用的碳纳米管电极材料,病毒组装而成的电极储能效率提升了两倍。

▲普渡大学研发出的锑纳米链负极.

将纳米结构用于电池作为电极材料,近年来被认为是突破目前锂电池瓶颈的一个重要方向。因为纳米电极能更多、更快地吸收和释放带电离子,因此可以将电池做得更小、更轻、且容量更大。

约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的高级电池研究科学家 Konstantinos Gerasopoulos 表示,使用病毒的好处在于,它们本身就以「纳米」的形式存在,本质上就是用于合成电池材料的天然模板。

当然你可能会担心,利用病毒制造电池,万一病毒泄露感染人类,不就危险了吗?

贝尔彻表示,他们使用的病毒均已经过无害化基因改造,只会感染特定的细菌宿主,而且并不致命,只会使被感染细菌的生长速度减慢。此外这种电池报废后可生物降解,不会像过去的锂电池一样对环境造成污染。

▲ 安吉拉·贝尔彻. 图片来自:MIT News

经过 10 年的研究,贝尔彻的病毒电池已经取得了不少新的突破。病毒已经可以和 150 多种材料一起使用,用以制造太阳能电池等产品。

虽然目前这种病毒电池只能给手电筒,激光笔,手表和 LED 灯等小型电子设备供电,但是贝尔彻一直在尝试将这种技术推出市场,她与别人联合创办了两家生物科技公司,Cambrios Technologies 和 Siluria Technologies,就是利用病毒来合成用于触控屏的纳米线,以及将二氧化碳转化为乙烯。

▲ 贝尔彻的病毒电池原型机. 图片来自:MIT Museum

但要实现贝尔彻理想中的「病毒电池驱动的汽车」,目前还难以做到,病毒电池的商业化存在两个比较大的问题。

一是病毒体积太小,可一般电池工厂所需的原材料高达数十吨,以目前的生物分子技术实现这种规模的量产并不容易,但 Gerasopoulos 也表示「这个障碍未来并非无法克服」。

▲ 特斯拉的超级电池工厂


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