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AG平台 未来的电池,可能是病毒做的 | 近未来㉘

2020-03-09 10:01:34 和记官网 已读

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 ,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。

▲ 电动车内电池组的单节电池

利用细菌进行发电的好处在于,驱动这些生物燃料电池的养料随处可见,且成本不高。腐烂的水果、工业废水、生活污水,甚至尿液和化粪池的水可以作为养料,既环保又经济。

科幻电影《黑客帝国》曾描绘过一个完全靠生物电池提供的世界,只不过电影里是人类被当做电池,来为机器人提供电力。

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」。

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。

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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。

▲ . 图片来自:wired

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。

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尽管目前病毒电池还不够成熟,但贝尔彻表示,她的研究是希望用生物技术来解决一些目前尚未解决的问题。

▲ 贝尔彻的病毒电池原型机. 图片来自:MIT Museum

研究称这种「空气发电机」可以 7 天 24 小时不间断地发电,而且过程中不需要外部电源。即便在极度干燥的地方AG平台,比如撒哈拉沙漠AG平台,一样能发电AG平台,目前「空气发电机」已经能为小型电子设备供电。

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。

▲ 安吉拉·贝尔彻. 图片来自:MIT News

电池的未来,可以用交给这些微生物吗?

▲鲍鱼壳. 图片来自:Monad Centre of Balance

不过这种技术还在初期阶段,细菌会在发电过程中死亡,还难以达到传统太阳能电池的发电量。研究人员希望将这种细菌电池用于矿井和深海勘探等微光环境。

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西英格兰大学的生物能源研究小组曾在 2015 年大学校园里建立了两个移动厕所,在小便池放置了 8 个由微生物燃料电池构成的电池模块,利用尿液来驱动这些微生物燃料电池,来为 LED 灯发电。

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 ,全球航空业的收入则可能减少 。

▲ 图片来自:纽约时报

研究人员对大肠杆菌进行基因改造后,让其可以生成番茄红素,这种色素吸收光线并转化为能量的效率很高,通过与一种矿物质结合覆盖在玻璃表面,就能作为电池阳极。

制造病毒电池

不过直到 1976 年,日本科学家Suzuki 才制造出现代意义的微生物燃料电池(MFC)。到了 80 年代,伦敦皇家学院的 Peter Bennetto 以糖液作为养料,让细菌在电池组里分解分子,释放出电子向阳极运动以产生电脑,经计算这种细菌电池的发电效率比如今的太阳能电池还高 40%。

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。

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。

▲ 深海采矿的专用挖矿机。图片来自:savethehighseas

无论是病毒电池,还是发展了 100 多年的生物燃料电池,迄今为止都没有被大规模商用。除了转换效率不够高和难以大规模量产外,成本问题也是一个不可忽视的问题。虽然细菌本身和所需的养料所需的成本都很低,但生产过程中使用的生物催化剂却十分昂贵。

当这种病毒纳米粒子进入体内,会定向附着在癌细胞上,在红外光照射下会发出荧光,以此来标记癌细胞的位置。在对小鼠的实验中,这项技术成功让接受卵巢癌手术的小鼠寿命延长 40%。

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。

当蛋白纳米线与电极相连后,就可以利用薄膜从空气中吸收水分,水分子被分解成氢离子和氧离子,导致电荷在薄膜顶部聚集,利用两个电极形成的电荷差让电子流动,从而产生电能。

将纳米结构用于电池作为电极材料,近年来被认为是。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。

▲ 细菌太阳能电池示意图.

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。

此外这个研究小组还试图通过类似的方式来为手机发电,预计需要 600 ml 尿液(约成年人尿两次),就能为手机充电 6 小时,给手机续航 3 小时。

此外用细菌制作的太阳能电池,甚至可以在阴天里正常发电。不列颠哥伦比亚大学的研究团队就用大肠杆菌开发了一种廉价、可持续的太阳能电池,不仅能产生比同类设备更强的电流,发电效率几乎不会受到光照强度的影响。

正如爱范儿此前一篇文章所说的,电池限制了我们对智能产品的想象力。

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。

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。

同时生产锂电池所需的稀有金属,本身产量就有限,随着人类对电池的需求增加,成本也不断提高。虽然人类已经尝试潜入深海采矿,但也带来了不少关于环保问题的争议,商业化的前景并不明朗。

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。

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。

不久前发表于《自然》杂志的「空气发电机」(air-powered generator)研究,就是利用微生物地杆菌产生的导电蛋白纳米线形成了 7 微米的薄膜作为电极。

新冠病毒,已经成为目前全世界最大的敌人。

▲尿液驱动细菌发电的原理图. 图片来自:New Frame

但科学家正在解决这些问题,生物燃料电池依然存在替代传统电池的可能性。尤其是小型的可穿戴设备和心脏起搏器植入式电子设备,通过这种技术提供电源十分实用,也更加接近于商用。

如果病毒电池和细菌电池能实现低成本的大规模量产,到那时我们就真的就拥有取之不尽的电池原材料了,电池领域也将进入一个全新的阶段。

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。

▲普渡大学研发出的锑纳米链负极.

除了病毒电池,贝尔彻还利用病毒组装技术开发出能发现肿瘤的纳米粒子,可以发现那些以为体积太小而无法被医生发现的癌组织,这对早期癌细胞的检测有很大提升。

前面提到的鲍鱼,能有序地排列钙分子形成外壳,病毒电池虽然借鉴了这一原理,但目前病毒组装的电极结构依然是随机的,贝尔彻团队正在研究如何让病毒生成更加有序的电极结构。

用病毒制造电池这一概念看似新颖,但你可能不知道,早在 100 多年前,人类就开始利用微生物的能量进行发电了。

传统锂电池的能量密度有限,过去 20 年都没有取得太大的突破,这限制了电动车的发展,更让全电动大型客机成为天方夜谭,像波音 737 这种大型飞机,所需的电池重量甚至要比机身更重,这显然无法商业化。

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。

电池的未来,或许就这个星球的生物体内。

100 多年前,人类就开始用细菌发电

▲ 特斯拉的超级电池工厂.

在过去几十年间,人类陆续发现了更多可以发电的细菌。从用于去除地下铀污染物的地杆菌到我们肠道内部的厌氧粪肠球菌,都具有转移电子发出电能的能力。

▲ 图片来自:New Frame

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?

二是病毒电池部分性能还比不上传统的电池,贝尔彻曾用病毒制造太阳能电池,但其技术效率无法和钙钛矿型太阳能电池相提并论。

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,而她的终极梦想,是能够驾驶由 。

1911 年,英国植物学家 Michael Cressé Potter 发现大肠杆菌可将有机物中的化学能转化为电能,他铂作为电极,利用大肠杆菌和酵母菌的培养液,制作了世界第一个细菌电池。

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。

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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