让病毒给我们打工!病毒生物电池了解一下

作者:流火来源:蝌蚪五线谱发布时间:2020-07-21

把病毒“圈养”在锂电池里,牛了!

在我们人类社会的发展进程中,从农作物、水果等植物到牛羊鸡鸭等动物,无一不被我们成功驯化。你有没有想过,即使是现在令我们闻之生畏的病毒,有朝一日也有可能为我们打工?

美国科学家Angela M. Belcher就开发出了这样一项新技术,可以把病毒“圈养”在锂电池里,让它们为我们打工,持续制造电源。

究竟是怎么回事呢?这要从锂电池的发展瓶颈说起。

手机总是没电,黑科技在哪里?

一个简单的锂电池主要包括正负电极(正极一般为含锂化合物,负极一般为碳材料)和连接两者的电解液。充电时,正极上的锂离子通过电解液移动到负极;而放电时,锂离子从负极返回正极。在正负极之间运动的锂离子数量越多,就说明锂电池的容量越大。

原理 (1)

锂离子运动的过程(图源:搜狐)

近年来,各类新型技术都实现了非常迅猛的高速发展,例如5G通信、虚拟现实、区块链等。但与之相反,锂电池的发展可以说是非常缓慢。无论是常用的手机还是最近火热的新能源电动车,即使配备了大量技术领先的黑科技(例如各个手机厂商大力发展的急速充电技术),却总是无法摆脱需要经常充电的窘境。

你的手机一天充几次电?(图源:搜狐)

你的手机一天充几次电?(图源:搜狐)

面对锂电池技术发展停滞不前的现状,科学家们提出了许多改进的方案,其中一种方案就是将电极材料组成部分的尺度缩小到纳米级。

科学家研究发现,由纳米结构组成的电极活性高,离子扩散传输的路径也很短。利用纳米电极材料,就可以显著提高电池的电子离子传输动力学性能,从而设计出高容量、循环稳定的锂电池。

纳米电极材料(图源:参考文献[1])

纳米电极材料(图源:参考文献[1])

但是,纳米电极同样也有自身的局限性,那就是成本较高,堆积密度较低,因此目前实验室制备出的纳米电极仍然无法广泛商用。

病毒自组装技术大显身手

既然人工制造纳米结构成本很高,那何不利用病毒来制造纳米结构?毕竟大多种类病毒的尺度处于纳米级别,本身就是天然的电极结构骨架。

自然界生物的典型尺寸(图源:kctech.com)

自然界生物的典型尺寸(图源:kctech.com)

从这个思路出发,Belcher的研究团队从数百万种病毒中进行筛选和测试,最后发现M13噬菌体最符合要求,并进行了相应的转基因改造。

转基因改造后的M13噬菌体(图源:参考文献[3])

转基因改造后的M13噬菌体(图源:参考文献[3])

转基因M13噬菌体的直径只有6纳米,长度只有880纳米,可以在其表面生成一种能够吸附氧化钴微颗粒的蛋白质。这样一来,数百万个全身包裹着氧化钴颗粒的转基因M13噬菌体排列在一起,就能构建出一个宏观尺度上的电极。

基于病毒自组装技术的三维电极结构(图源:参考文献[2])

基于病毒自组装技术的三维电极结构(图源:参考文献[2])

此外,这种病毒自组装技术中用到的病毒以及寄主细菌对人体无害;电池报废后,电池内部的材料可以在自然界中完全降解,不会像现有锂电池那样有重金属污染的危害。

与生物燃料电池有何不同?

有的同学可能会说,这有什么稀奇的,不就是生物燃料电池嘛!

No No No,这种病毒生物电池和生物燃料电池还真不是一回事。生物燃料电池是一种生物电化学系统。基本原理是利用具有电化学活性的酶或微生物,使其在乙醇、葡萄糖等燃料中进行电化学反应来实现电子的运输。

生物燃料电池的原理(图源:蝌蚪五线谱)

生物燃料电池的原理(图源:蝌蚪五线谱)

而病毒生物电池在本质上仍然是锂电池系统,其发电来源仍然是锂离子在正负极之间的运动。只不过,由病毒制造而成的纳米电极可以大大提高锂离子的运动效率。

未来的世界:与病毒共舞

自然界中的病毒体积小、复制性强,遗传物质简单,一直以来带给我们的只有疾病与悲痛。但谁能想到,正是因为这些特点,病毒却又可以成为制造高效电池材料的利器。说不定在不远的将来,我们很快就可以用到装备有病毒电池的手机了。这种与病毒共舞的感觉,是不是很酷?

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参考文献

[1] Liu J, Wang J, Kim J, et al. High Full‐Electrode Basis Capacity Template‐Free 3D Nanocomposite Secondary Battery Anodes[J]. Small, 2015, 11(47): 6265-6271.

[2] Nam K T, Wartena R, Yoo P J, et al. Stamped microbattery electrodes based on self-assembled M13 viruses[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2008, 105(45): 17227-17231.

[3] Nam K T, Peelle B R, Lee S W, et al. Genetically driven assembly of nanorings based on the M13 virus[J]. Nano letters, 2004, 4(1): 23-27.


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