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用病毒造次世代电池驱动特斯拉?这位美国科学家还真没疯
2020-03-28 20:11:24  出处:雷锋网  作者:大壮旅 编辑:朝晖   点击可以复制本篇文章的标题和链接

2009 年时,麻省理工生物工程教授 Angela Belcher 专程到白宫为新官上任的奥巴马总统展示了一种新型电池。这电池到底什么来头,居然能让总统如此感兴趣?

原来,Belcher 掌握了新的锂电池正负极制造技术,但材料中有一项并不是来自元素周期表,而是我们谈之色变的“病毒”。这一工程突破不但有望降低电池制造过程中的毒性,还能提高电池性能。当时,奥巴马准备投入 20 亿美元推进电池技术的进步,而 Belcher 的“病毒”电池就是未来风向之一。

十年过去了,Belcher 的“病毒”电池也取得了飞速进步,她制造的病毒可以与 150 多种不同的材料一起使用。Belcher 还成功证明自己的的技术可以用于制造其他材料,比如太阳能电池。

当然,Belcher 用病毒驱动电动车的愿望还没有实现,但这项技术离走出实验室已经不远了。

被称为自然界微观僵尸的病毒也有跨越生与死鸿沟的能力。它们拥有完整的基因组,是不折不扣的生物,但与其他生物不同,没有宿主它们又无法繁殖。不过在 Belcher 看来,这些特性反而可以用在纳米工程中,在提升电池能量密度、寿命与充电速率的同时,降低制造过程中的污染。

“在电池领域,有越来越多的人开始探索纳米结构形式的正负极材料了。”约翰霍普金斯应用物理实验室高级研究专家 Konstantinos Gerasopoulos 解释道。“制备纳米材料时我们可以使用多种常规化学技术。至于病毒等生物材料,其好处在于它们已经以“纳米”形式存在,因此其本质上是用于合成电池材料的天然模板或支架。”

神奇的大自然孕育了许多方法,无需借助病毒,就可以用无机材料构建有用的结构。Belcher 最喜欢的例子就是石决明(一种贝壳),它拥有纳米级的高度结构化,轻巧且坚固。经过数千万年的进化,石决明 DNA 产生的蛋白质可从富含矿物质的水生环境中提取钙分子,并将其沉积在自己体内的有序结构层中。虽然没人拿石决明制造电池,但是 Belcher 意识到,我们可以在病毒中用上同样的基本工艺,从而为人类制造有用的材料。

“我们一直在试图通过生物工程控制那些通常无法通过生物技法制造的纳米材料。”Belcher 说道。“我们扩充了自己的生物学工具箱,以处理那些全新材料。”

Belcher 选的病毒是 M13 噬菌体,它是一种能在细菌中复制的雪茄状病毒。尽管它不是唯一可以用于纳米工程的病毒,Belcher 还是认为它是最佳选择,因为 M13 噬菌体的遗传物质很容易操控。

为了征召病毒生产电极,Belcher 将其暴露于她希望病毒操纵的材料上。一些病毒 DNA 中的自然或工程突变会导致它们锁在材料上。随后,Belcher 提取这些病毒并将其用于感染细菌,从而产生数百万份相同的病毒副本。这个过程一遍又一遍地重复,并且随着每次迭代,病毒都慢慢进化成了经过精准调整的电池架构师。

Belcher 的转基因病毒其实分不清电池的正负极,但这个能力对它们并不重要。在设定中,它们的 DNA 就只需解决简单任务,但如果数百万个病毒搞“毒海战术”,就能造出可用的材料。

举例来说,转基因的病毒可能被改造为只需表达表面上的一种蛋白质,该蛋白质能吸引氧化钴颗粒覆盖自己的身体。病毒表面上的其他蛋白质会吸引越来越多的氧化钴颗粒。这样就形成了一个钴氧化物纳米线,它由连接的病毒组成,可用于电池电极。

Belcher 的工艺将 DNA 序列与元素周期表中的元素进行匹配,从而形成非自然选择的加速形式。对 DNA 进行单向编码可能会导致病毒锁定在磷酸铁上,但是,如果对代码进行了调整,该病毒可能就会对氧化钴更感兴趣。

该技术可以扩展到元素周期表中的任何元素,只需找到与之匹配的 DNA 序列即可。从这个角度来讲,Belcher 所做的工作与宠物狗爱好者进行的选择性繁殖差别并不大,后者以创造出完美的狗为己任,而这样的狗大自然可造不出来。不过,Belcher 可不是在繁殖贵宾犬,而是在繁殖制造病毒的电池。

简言之,Belcher 正在使用她的病毒组装技术来打造电极,并将该技术用在一系列不同的电池类型中。

当年,她为奥巴马演示的电池是标准的锂离子纽扣电池,就像石英表中使用的那种。不过,在大多数情况下,Belcher 所用的电极具有更奇特的化学性质,类似锂空气和钠离子电池。

她指出,这样做是因为与成熟的锂离子电池生产商竞争并没有多大意义。“我们没有试图与当下的技术进行竞争。”Belcher 说道。“我们正在研究一个问题,即‘可以用生物学来解决一些迄今为止尚未解决的问题吗?’”

当然可以,其中一种前途广大的应用就是使用病毒创建高度有序的电极结构,以缩短离子通过电极时的路径。伊利诺伊大学材料研究实验室主任 Paul Braun 就表示,这将增加电池的充电和放电速率,可以称得上“能量存储领域的绝技之一”。他还指出,原则上病毒组装能显著改善电池电极的结构并提高其充电率。

眼下,Belcher 的病毒组装电极在结构上基本是随机的,但她和她的同事正在努力将病毒引导为更有序的排列

尽管如此,她的病毒电池的性能还是优于传统电极,比如更高的电池容量,循环寿命和充电率。不过 Belcher 还是强调,病毒组装技术最大的好处在于其环保属性。传统的电极制造技术要求使用有毒化学物质和高温,而 Belcher 所需的只是电极材料,处在室温的水和一些转基因病毒。

“我的实验室现在最关注清洁能源技术。”Belcher 解释道。这涵盖了诸如电极材料的来源以及因制造电极而产生的废品之类的问题。

Belcher 的病毒电池还未正式商业化,不过她和她的同事最近发了多篇论文(正在审阅中)详细阐述这一技术在能源及其他行业的商业化应用前景。

当 Belcher 首次提出利用病毒制造对人类有用的东西时,她遭到了很多同事的怀疑。她回忆称:“人们都说我疯了。”

现在,这个想法似乎不再牵强,但将该技术从实验室带入现实世界可没那么容易。

“传统的电池制造使用廉价的材料和工艺,但要想通过病毒提高性能并解决量产问题,则需要数年的研究和相关费用。”印第安纳大学布卢明顿分校化学教授 Bogdan Dragnea 解释道。“直到最近,我们才从物理特性的角度了解了基于病毒材料的潜力所在。”

基于病毒电池的技术,Belcher 已经成立了两家公司。一家是 2004 年成立的 Cambrios Technologies,该公司用新的制造工艺来生产触摸屏所用的电子零部件。

至于第二家公司 Siluria Technologies,则在将甲烷转化为乙烯(一种广泛用于制造的气体)的过程中使用病毒。 除此之外,Belcher 还使用病毒来组装太阳能电池,但这项技术的效率暂时还不足以与新型钙钛矿太阳能电池竞争。

当然,病毒参与制作电极这件事能否达到商业化生产的标准仍是一个悬而未决的问题。 Gerasopoulos 就表示:“在电池生产设备中会投入大量材料,因此要达到生物分子的水平并不是一件容易的事。”好在,他并不认为该障碍是无法克服的,但“到目前为止,这可能是最主要的挑战之一。”

即使我们永远开不上病毒驱动的特斯拉,Belcher 的生物驱动纳米工程技术在与电力无关的领域也前景广大。在麻省理工学院,Belcher 正与一个利用病毒组装技术生成肿瘤追踪纳米粒子的科学家团队合作。

这些纳米粒子旨在追踪体积太小而无法被医生检测到的癌细胞,可以极大改善癌症患者的早期检测并降低死亡率。此外,这些粒子还可以用能杀死癌细胞的生物材料来武装,虽然这个目标离我们还有点远。

在人类历史上,病毒一直是疾病和死亡的先兆,但 Belcher 的工作却为我们指引了未来。原来,这些死神一般的家伙真的可以为人所用。

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