(PhysOrg.com)-Virus har ett dåligt rep-och med rätta. Ett virus förmåga att snabbt och exakt replikera sig själv gör det till en destruktiv gissel för djur och växter. Nu ett tvärvetenskapligt team av forskare vid University of Marylands A. James Clark School of Engineering och College of Agriculture and Natural Resources, sammanförd av professor Reza Ghodssi, vänder på bordet, utnyttja och utnyttja "självförnyande" och "självmonterande" egenskaper hos virus för ett högre syfte:att bygga en ny generation små, kraftfulla och högeffektiva batterier och bränsleceller.

Den stela, stavformat Tobaksmosaikvirus (TMV), som under ett elektronmikroskop ser ut som okokt spaghetti, är ett välkänt och utbrett växtvirus som förstör tobak, tomater, paprika, och annan växtlighet. Men i labbet, ingenjörer har upptäckt att de kan utnyttja egenskaperna hos TMV för att bygga små komponenter för framtidens litiumjonbatterier. De kan modifiera TMV -stavarna för att binda vinkelrätt mot metallytan på en batterielektrod och ordna stavarna i invecklade och ordnade mönster på elektroden. Sedan, de täcker stavarna med en ledande tunn film som fungerar som en strömkollektor och slutligen batteriets aktiva material som deltar i de elektrokemiska reaktionerna.

Som ett resultat, forskarna kan kraftigt öka elektrodytan och dess kapacitet att lagra energi och möjliggöra snabb laddning/urladdning. TMV blir inert under tillverkningsprocessen; de resulterande batterierna överför inte viruset. De nya batterierna, dock, har upp till en 10-faldig ökning av energikapaciteten jämfört med ett vanligt litiumjonbatteri.

"De resulterande batterierna är ett steg framåt på många sätt och kommer att vara idealiska för användning inte bara i små elektroniska enheter utan i nya applikationer som hittills har begränsats av storleken på det nödvändiga batteriet, "sade Ghodssi, chef för Institute for System Research och Herbert Rabin professor i el- och datateknik vid Clark School. "Tekniken som vi har utvecklat kan användas för att producera energilagringsenheter för integrerade mikrosystem som trådlösa sensornätverk. Dessa system måste vara riktigt små i storlek-millimeter eller sub-millimeter-så att de kan distribueras i stora nummer i avlägsna miljöer för applikationer som hemlandssäkerhet, lantbruk, miljöövervakning och mer; för att driva dessa enheter, lika små batterier krävs, utan att kompromissa med prestanda. "

TMVs nanostruktur är den perfekta storleken och formen att använda som mall för att bygga batterielektroder. Dess självreplikerande och självmonterande biologiska egenskaper producerar strukturer som är både invecklade och ordnade, vilket ökar effekten och lagringskapaciteten för batterierna som innehåller dem. Eftersom TMV kan programmeras att binda direkt till metall, de resulterande komponenterna är lättare, starkare och billigare än konventionella delar.

Tre olika steg är involverade i att producera ett TMV-baserat batteri:modifiering, förökning och framställning av TMV; bearbetning av TMV för att odla nanoroder på en metallplatta; och införliva de nanorodbelagda plattorna i färdiga batterier. Det krävs ett tvärvetenskapligt team av UM -forskare och deras studenter för att göra varje steg möjligt.

James Culver, medlem i Institutet för biovetenskap och bioteknik och professor vid institutionen för växtvetenskap och landskapsarkitektur, och forskaren Adam Brown hade redan utvecklat genetiska modifieringar av TMV som gör det möjligt att belägga det kemiskt med konduktiva metaller. För detta projekt extraherar de tillräckligt med det skräddarsydda viruset från bara några tobaksväxter som odlas i laboratoriet för att syntetisera hundratals batterielektroder. Det extraherade TMV är sedan klart för nästa steg.

Forskare producerar en skog av vertikalt inriktade virusstänger med hjälp av en process som utvecklats av Culvers tidigare doktorand. studerande, Elizabeth Royston. En lösning av TMV appliceras på en metallelektrodplatta. De genetiska modifieringarna programmerar ena änden av det stavformade viruset för att fästa vid plattan. Därefter är dessa virala skogar kemiskt belagda med en ledande metall, främst nickel. Annat än dess struktur, inget spår av viruset finns i den färdiga produkten, som inte kan överföra ett virus till varken växter eller djur. Denna process är patentsökt.

Ghodssi, materialvetenskap Ph.D. student Konstantinos Gerasopoulos, och tidigare postdoktor Matthew McCarthy (numera fakultetsmedlem vid Drexel University) har använt denna metallbeläggningsteknik för att tillverka alkaliska batterier med vanliga tekniker från halvledarindustrin, såsom fotolitografi och tunnfilmsdeponering.

Medan den första generationen av deras enheter använde de nickelbelagda virusen för elektroderna, arbete som publicerades tidigare i år undersökte möjligheten att strukturera elektroder med det aktiva materialet avsatt ovanpå varje nickelbelagd nanorod, bilda en kärna/skal -nanokomposit där varje TMV -partikel innehåller en ledande metallkärna och ett aktivt materialskal. I samarbete med Chunsheng Wang, professor vid Institutionen för kemisk och biomolekylär teknik, och hans doktorsexamen student Xilin Chen, forskarna har utvecklat flera tekniker för att bilda nanokompositer av kisel och titandioxid på den metalliserade TMV -mallen. Denna arkitektur stabiliserar både det ömtåliga, aktiv materialbeläggning och ger den en direktanslutning till batterielektroden.

I det tredje och sista steget, Chen och Gerasopoulos monterar dessa elektroder i de experimentella litiumjonbatterierna med hög kapacitet. Deras kapacitet kan vara flera gånger högre än för bulkmaterial och för kisel, högre än för nuvarande kommersiella batterier.

"Virusaktiverade nanorodstrukturer är skräddarsydda för att öka mängden energi som batterier kan lagra. De ger en ökning av storleksordningen i yta, stabilisera de monterade materialen och öka konduktiviteten, vilket resulterar i upp till en 10-faldig ökning av energikapaciteten jämfört med ett vanligt litiumjonbatteri, "Sa Wang.

En bonus:eftersom TMV binder metall direkt på den ledande ytan när strukturerna bildas, inga andra bindande eller ledande medel behövs som i den traditionella bläckgjutningstekniken som används för elektrodtillverkning.

"Vår metod är unik genom att den involverar direkt tillverkning av elektroden på strömkollektorn; detta gör batteriets effekt högre, och dess cykelliv längre sa Wang.

Användningen av TMV -viruset vid tillverkning av batterier kan skalas upp för att tillgodose industriella produktionsbehov. "Processen är enkel, billig, och förnybar, "Culver lägger till." I genomsnitt en tunnland tobak kan producera cirka 2, 100 kilo bladvävnad, ger cirka ett kilo TMV per kilo infekterade blad, " han förklarar.

På samma gång, mycket små mikrobatterier kan produceras med denna teknik. "Vår teknik för elektrodsyntes, TMV:s höga yta och förmågan att mönstra dessa material med processer som är kompatibla med mikrofabricering möjliggör utveckling av sådana miniatyriserade batterier, "Gerasopoulos tillägger.

Medan fokus för detta forskargrupp länge har legat på energilagring, Den strukturella mångsidigheten i TMV -mallen gör att den kan användas i en mängd olika spännande applikationer. "Denna kombination av bottom-up-biologisk självmontering och top-down-tillverkning är inte begränsad till endast batteriutveckling, "Ghodssi sa." Ett av våra labbs pågående projekt syftar till utveckling av explosiva detektionssensorer som använder versioner av TMV som binder TNT selektivt, öka sensorns känslighet. Parallellt, vi samarbetar med våra kollegor på Drexel och MIT för att konstruera ytor som liknar strukturen på växtblad. Dessa biomimetiska strukturer kan användas för grundläggande vetenskapliga studier samt utveckling av nya vattenavvisande ytor och värmeledningar i mikro/nanoskala. "