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      MIT教授將病毒用于電池、腫瘤檢測(cè),未來計(jì)劃用病毒驅(qū)動(dòng)汽車

      2021-04-15 14:12:54胡莉花
      海外星云 2021年1期
      關(guān)鍵詞:安吉拉碳納米管鋰離子

      ●胡莉花

      一顆普通電池丟棄后,可以污染60萬升的水。在各類電池中,鋰離子電池因儲(chǔ)能高、重量輕、污染小等特點(diǎn)一騎絕塵,被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、電動(dòng)車、軍事裝備及航空航天等。

      但高效、便攜、環(huán)保始終是電池應(yīng)用領(lǐng)域的追求。麻省理工學(xué)院的生物分子材料學(xué)教授安吉拉貝爾徹(Angela Belcher)已成功用病毒組裝了電池的正負(fù)極,并成功為L(zhǎng)ED燈、手電筒、激光筆等小型設(shè)備供電。

      與普通的電池相比,病毒電池僅需要病毒、水以及電極材料就可以供電,不僅環(huán)保、降低了成本,在一定程度上,這種電池比傳統(tǒng)的電池相比,具有更高的容量、循環(huán)壽命和充電率。除此之外,安吉拉也將病毒改造用于轉(zhuǎn)移性腫瘤檢測(cè),協(xié)助外科醫(yī)生進(jìn)行切除。

      “病毒電池”的誕生

      用病毒組裝電池這一想法源于鮑魚。讀博期間,安吉拉就注意到了這種擁有堅(jiān)硬外殼的生物,研究后發(fā)現(xiàn),鮑魚分泌的一種蛋白質(zhì)能夠迫使碳酸鈣分子定向排列,形成鮑魚堅(jiān)硬的外殼。既然是蛋白質(zhì)形成的外殼,那么它也是一種納米級(jí)材料,作為一名材料學(xué)家,安吉拉敏銳的意識(shí)到可以改造病毒表達(dá)相似的蛋白質(zhì),從而為人類制造有用的材料。

      在分析了數(shù)百萬種病毒之后,安吉拉及其團(tuán)隊(duì)確定了M13噬菌體,這種病毒遺傳物質(zhì)簡(jiǎn)單,易于操作,還可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能用于發(fā)電?!氨M管不是唯一可用于納米工程的病毒,但它的效果非常好”,安吉拉表示。M13是一種結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)的病毒,這種結(jié)構(gòu)正好可以用作生物支架。

      對(duì)M13的基因組進(jìn)行改造后,病毒的表面會(huì)生成特定的蛋白質(zhì),這種蛋白質(zhì)能夠吸附電極材料。當(dāng)對(duì)病毒基因組進(jìn)行不同的工程突變時(shí),生成的蛋白質(zhì)能夠吸附不同的材料。安吉拉改造的病毒表達(dá)的蛋白質(zhì)能夠吸附氧化鈷和磷酸鐵,分別擔(dān)任電池的正極和負(fù)極。

      M13噬菌體

      傳統(tǒng)的鋰離子電池是一種充電電池,這種電池使用鋰化合物作為電極材料,常用的正極材料包括鋰鐵磷酸鹽、錳酸鋰等,常用的負(fù)極材料是石墨,當(dāng)鋰離子通過電解質(zhì)從負(fù)極流向正極時(shí),電池便會(huì)發(fā)電。

      病毒電池在本質(zhì)上也是一種鋰離子電池,但其所用的電解質(zhì)是水,與鋰離子電池相比,病毒電池使用生物材料,更易降解,而且,它們的合成需要相對(duì)較少的設(shè)備,因此也更加便宜。同時(shí),這種病毒經(jīng)過改造后,只會(huì)感染特定的細(xì)菌,且不會(huì)對(duì)人體致命。

      “使用病毒等生物材料的好處是,它們已經(jīng)以納米形式存在,它們是用于合成電池材料的天然模板”,約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)電池研究科學(xué)家Konstantinos Gerasopoulos表示。納米電極能夠更多、更快地吸收和釋放帶電離子,因而可以將電池做的更小、更輕且容量更大。

      納米電池是目前的研發(fā)熱點(diǎn),將電池正極和負(fù)極的材料納米化后,能夠降低電池材料的體積、提高電池密度,從而提升電池的容量,如果加入導(dǎo)電性良好的碳纖維,也可以提升電池的充放電性能。

      產(chǎn)量和效能是商業(yè)化障礙

      早在2009年,安吉拉就在白宮為前美國總統(tǒng)巴拉克奧巴馬展示了這種病毒電池,當(dāng)時(shí),奧巴馬正好計(jì)劃撥款20億美元用于新型電池的技術(shù)的開發(fā)。

      安吉拉抓住了這一機(jī)遇。在10多年的發(fā)展中,安吉拉改造的病毒已經(jīng)能夠結(jié)合150種材料,應(yīng)用到了太陽能電池、腫瘤檢測(cè)燈方面。但不得不注意的是,目前,安吉拉改造的病毒電池僅能為L(zhǎng)ED燈、手電筒、激光筆等小型設(shè)備供電。

      一般的電池工廠所需的原材料高達(dá)數(shù)十噸,但是病毒體積太小,以目前的生物分子技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)這種規(guī)模的量產(chǎn)。也就是說,病毒電池暫時(shí)沒辦法商業(yè)化,對(duì)此,安吉拉解釋道,“與成熟的鋰離子制造商競(jìng)爭(zhēng)是毫無意義的,我們并不會(huì)與當(dāng)前的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng),最重要的是,我們想要用生物學(xué)技術(shù)解決一些迄今為止尚未解決的問題”。

      在安吉拉成功拿到病毒電池的同年,美國康奈爾大學(xué)的研究者發(fā)現(xiàn)了碳納米管太陽能電池,碳納米管是由碳原子無隙結(jié)合形成的一種納米級(jí)的圓柱狀物體,這種材料的太陽能電池導(dǎo)電性好、比傳統(tǒng)的硅材料便宜,但是轉(zhuǎn)換效率非常低,僅有1%。

      2011年,安吉拉及其團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上,用M13病毒將碳納米管太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率提升了近30%。M13病毒生成的特定蛋白質(zhì)能夠固定碳納米管,從而保證納米管處于正確的位置;同時(shí),M13還會(huì)產(chǎn)生二氧化鈦,能夠提高電子的傳輸效率;此外,M13能夠讓碳納米管具有水溶性,使其在室溫條件下更方便地加入到太陽能板中,從而降低成產(chǎn)生本。

      盡管安吉拉在一定程度上提升了碳納米管太陽能板的轉(zhuǎn)換效率,但是這種技術(shù)效率無法和鈣鈦礦型太陽能電池相提并論。鈣鈦礦型太陽能電池的效率已經(jīng)超過了21%。

      現(xiàn)在,安吉拉和團(tuán)隊(duì)也在研究鋰空氣電池,這種電池用空氣中的氧氣作為負(fù)極,用鋰離子作為正極。相比較鋰離子電池,鋰空氣電池?fù)碛懈叩拿芏?,這意味著,這種電池能夠儲(chǔ)存更多的電量。安吉拉和團(tuán)隊(duì)用組裝病毒作為負(fù)極,其生成的蛋白質(zhì)會(huì)形成納米級(jí)的導(dǎo)線,他們還增大了導(dǎo)線的直徑,從而加快了充電和放電速率。

      除此之外,用病毒創(chuàng)建高度有序的電極結(jié)構(gòu),縮短離子通過的距離,也能夠增加電池充放電的效率。伊利諾伊大學(xué)材料研究實(shí)驗(yàn)室主任保羅布勞恩(Paul Braun)認(rèn)為這是電池儲(chǔ)能的重要原因。

      改進(jìn)的病毒電池可用于驅(qū)動(dòng)汽車

      安吉拉的病毒電池雖然借鑒了鈣分子有序排列形成鮑魚殼的原理,但目前病毒組裝的電極結(jié)構(gòu)依舊是無序的,目前,團(tuán)隊(duì)正在研究如何讓病毒組裝成更有序的結(jié)構(gòu),以此來提高電池的儲(chǔ)能效率。

      “病毒汽車”的夢(mèng)想

      除了病毒電池之外,安吉拉和另外兩位麻省理工學(xué)院的教授合作用病毒組裝技術(shù)開發(fā)了能夠發(fā)現(xiàn)腫瘤的納米顆粒?!坝肅T掃描能夠發(fā)現(xiàn)小到1厘米的腫瘤,但是用這些納米顆粒能夠發(fā)現(xiàn)小到半毫米的腫瘤”,安吉拉補(bǔ)充道,“如果早點(diǎn)發(fā)現(xiàn)毫米級(jí)的腫瘤,并介入治療,可以極大的提高患者的生存率”。

      安吉拉對(duì)病毒的基因組進(jìn)行了改造,使其表達(dá)的蛋白質(zhì)不僅能夠與碳納米管結(jié)合,還能夠與癌細(xì)胞產(chǎn)生的蛋白質(zhì)結(jié)合。當(dāng)病毒附著在癌細(xì)胞后,納米管在紅外光的照射下可以發(fā)熒光,熒光的位置即標(biāo)志腫瘤的位置,可以協(xié)助外科醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)切除。

      目前這種技術(shù)僅能夠用于乳腺癌,安吉拉和團(tuán)隊(duì)正在努力將這項(xiàng)技術(shù)用于腦癌和胰腺癌中。

      駕駛用病毒電池驅(qū)動(dòng)的汽車是安吉拉的夢(mèng)想。市場(chǎng)上主流的電動(dòng)汽車用到的都是鋰離子電池,根據(jù)公開消息,2020年電動(dòng)汽車的平均續(xù)航在400公里左右。要延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的續(xù)航,要么增加電池的數(shù)量,要么增加電池的容量。

      從最初的病毒電池到太陽能電池,再到上述提到的鋰空氣電池,安吉拉一直在對(duì)病毒進(jìn)行工程改造,提高電池的儲(chǔ)能效率,以產(chǎn)生可以用作低碳能源系統(tǒng)一部分的材料。■(摘自美《深科技》)

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