(PhysOrg.com) - Los virus tienen mala reputación, y con razón. La capacidad de un virus para replicarse de forma rápida y precisa lo convierte en un azote destructivo tanto para los animales como para las plantas. Ahora, un equipo interdisciplinario de investigadores de la Escuela de Ingeniería A. James Clark de la Universidad de Maryland y la Facultad de Agricultura y Recursos Naturales, reunidos por el profesor Reza Ghodssi, está cambiando las tornas, aprovechar y explotar las propiedades de "autorrenovación" y "autoensamblaje" de los virus para un propósito superior:construir una nueva generación de virus baterías y pilas de combustible potentes y altamente eficientes.

El rígido virus del mosaico del tabaco en forma de varilla (TMV), que bajo un microscopio electrónico parece espagueti crudo, es un virus vegetal bien conocido y extendido que devasta el tabaco, Tomates, pimientos, y otra vegetación. Pero en el laboratorio Los ingenieros han descubierto que pueden aprovechar las características de TMV para construir componentes diminutos para las baterías de iones de litio del futuro. Pueden modificar las varillas de TMV para que se unan perpendicularmente a la superficie metálica de un electrodo de batería y colocar las varillas en patrones intrincados y ordenados sobre el electrodo. Luego, recubren las varillas con una fina película conductora que actúa como colector de corriente y finalmente el material activo de la batería que participa en las reacciones electroquímicas.

Como resultado, los investigadores pueden aumentar en gran medida el área de la superficie del electrodo y su capacidad para almacenar energía y permitir tiempos de carga / descarga rápidos. TMV se vuelve inerte durante el proceso de fabricación; las baterías resultantes no transmiten el virus. Las baterías nuevas, sin embargo, tener hasta 10 veces más capacidad de energía en comparación con una batería de iones de litio estándar.

"Las baterías resultantes son un salto adelante en muchos sentidos y serán ideales para su uso no solo en pequeños dispositivos electrónicos sino en aplicaciones novedosas que hasta ahora han estado limitadas por el tamaño de la batería requerida, "dijo Ghodssi, director del Instituto de Investigación de Sistemas y Profesor Herbert Rabin de Ingeniería Eléctrica e Informática en la Escuela Clark. "La tecnología que hemos desarrollado se puede utilizar para producir dispositivos de almacenamiento de energía para microsistemas integrados, como redes de sensores inalámbricos. Estos sistemas tienen que ser de tamaño realmente pequeño, milimétrico o submilimétrico, para que se puedan implementar en grandes números en entornos remotos para aplicaciones como seguridad nacional, agricultura, monitoreo ambiental y más; para alimentar estos dispositivos, se requieren baterías igualmente pequeñas, sin comprometer el rendimiento ".

La nanoestructura de TMV tiene el tamaño y la forma ideales para usar como plantilla para construir electrodos de batería. Sus propiedades biológicas de autorreplicación y autoensamblaje producen estructuras que son a la vez intrincadas y ordenadas, lo que aumenta la potencia y capacidad de almacenamiento de las baterías que las incorporan. Debido a que TMV se puede programar para unirse directamente al metal, los componentes resultantes son más ligeros, más fuerte y menos costoso que las piezas convencionales.

Tres pasos distintos están involucrados en la producción de una batería basada en TMV:modificar, propagar y preparar el TMV; procesar el TMV para hacer crecer nanobarras en una placa de metal; e incorporar las placas recubiertas de nanobarras en las baterías terminadas. Se necesita un equipo interdisciplinario de científicos de la UM y sus estudiantes para hacer posible cada paso.

James Culver, miembro del Instituto de Biociencias y Biotecnología y profesor del Departamento de Ciencia Vegetal y Arquitectura del Paisaje, y el investigador Adam Brown ya había desarrollado modificaciones genéticas al TMV que le permiten ser recubierto químicamente con metales conductores. Para este proyecto, extraen suficiente virus personalizado de unas pocas plantas de tabaco cultivadas en el laboratorio para sintetizar cientos de electrodos de batería. El TMV extraído está listo para el siguiente paso.

Los científicos producen un bosque de barras de virus alineadas verticalmente utilizando un proceso desarrollado por el ex Ph.D. de Culver. estudiante, Elizabeth Royston. Se aplica una solución de TMV a una placa de electrodo de metal. Las modificaciones genéticas programan un extremo del virus en forma de varilla para que se adhiera a la placa. A continuación, estos bosques virales se recubren químicamente con un metal conductor, principalmente níquel. Aparte de su estructura, no hay rastros del virus en el producto terminado, que no puede transmitir un virus ni a plantas ni a animales. Este proceso está pendiente de patente.

Ghodssi, Doctorado en Ciencias de los Materiales. estudiante Konstantinos Gerasopoulos, y el ex asociado postdoctoral Matthew McCarthy (ahora miembro de la facultad de la Universidad de Drexel) han utilizado esta técnica de recubrimiento de metal para fabricar baterías alcalinas con técnicas comunes de la industria de los semiconductores, como la fotolitografía y la deposición de películas delgadas.

Si bien la primera generación de sus dispositivos utilizó virus recubiertos de níquel para los electrodos, El trabajo publicado a principios de este año investigó la viabilidad de estructurar electrodos con el material activo depositado en la parte superior de cada nanovarilla recubierta de níquel. formando un nanocompuesto de núcleo / capa donde cada partícula de TMV contiene un núcleo de metal conductor y una capa de material activo. En colaboración con Chunsheng Wang, profesor del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular, y su Ph.D. estudiante Xilin Chen los investigadores han desarrollado varias técnicas para formar nanocompuestos de silicio y dióxido de titanio en la plantilla TMV metalizada. Esta arquitectura estabiliza lo frágil, Recubrimiento de material activo y le proporciona una conexión directa al electrodo de la batería.

En el tercer y último paso, Chen y Gerasopoulos ensamblan estos electrodos en las baterías experimentales de iones de litio de alta capacidad. Su capacidad puede ser varias veces superior a la de los materiales a granel y, en el caso del silicio, más alto que el de las baterías comerciales actuales.

"Las estructuras de nanovarillas habilitadas por virus están hechas a medida para aumentar la cantidad de energía que las baterías pueden almacenar. Confieren un orden de magnitud de aumento en el área de superficie, estabilizar los materiales ensamblados y aumentar la conductividad, resultando en un aumento de hasta 10 veces en la capacidad de energía sobre una batería de iones de litio estándar, "Dijo Wang.

Una ventaja:dado que el TMV une el metal directamente a la superficie conductora a medida que se forman las estructuras, no se necesitan otros agentes aglutinantes o conductores como en las tecnologías tradicionales de fundición de tinta que se utilizan para la fabricación de electrodos.

"Nuestro método es único en el sentido de que implica la fabricación directa del electrodo en el colector de corriente; esto aumenta la potencia de la batería, y su ciclo de vida más largo, "dijo Wang.

El uso del virus TMV en la fabricación de baterías se puede ampliar para satisfacer las necesidades de producción industrial. "El proceso es simple, barato, y renovable, "Añade Culver." En promedio, un acre de tabaco puede producir aproximadamente 2, 100 libras de tejido foliar, produciendo aproximadamente una libra de TMV por libra de hojas infectadas, " el explica.

Al mismo tiempo, Se pueden producir microbaterías muy pequeñas utilizando esta tecnología. "Nuestra técnica de síntesis de electrodos, la gran superficie del TMV y la capacidad de modelar estos materiales utilizando procesos compatibles con la microfabricación permiten el desarrollo de tales baterías miniaturizadas, ", Añade Gerasopoulos.

Si bien el enfoque de este equipo de investigación se ha centrado durante mucho tiempo en el almacenamiento de energía, la versatilidad estructural de la plantilla TMV permite su uso en una variedad de aplicaciones interesantes. "Esta combinación de autoensamblaje biológico ascendente y fabricación descendente no se limita únicamente al desarrollo de baterías, ", Dijo Ghodssi." Uno de los proyectos en curso de nuestro laboratorio tiene como objetivo el desarrollo de sensores de detección de explosivos utilizando versiones de TMV que se unen a TNT de forma selectiva, aumentando la sensibilidad del sensor. En paralelo, estamos colaborando con nuestros colegas de Drexel y MIT para construir superficies que se asemejen a la estructura de las hojas de las plantas. Estas estructuras biomiméticas se pueden utilizar para estudios científicos básicos, así como para el desarrollo de nuevas superficies repelentes al agua y tubos de calor a micro / nano escala ".