用病毒造次世代電池 這位美國科學家還真沒瘋

2009 年時,麻省理工生物工程教授 Angela Belcher 專程到白宮為新官上任的奧巴馬總統展示了一種新型電池。這電池到底什麼來頭,居然能讓總統如此感興趣?原來,Belcher 掌握了新的鋰電池正負極製造技術,但材料中有一項並不是來自元素周期表,而是我們談之色變的「病毒」。

這一工程突破不但有望降低電池製造過程中的毒性,還能提高電池性能。當時,奧巴馬准備投入 20 億美元推進電池技術的進步,而 Belcher 的「病毒」電池就是未來風向之一。

用病毒造次世代電池 這位美國科學家還真沒瘋

十年過去了,Belcher 的「病毒」電池也取得了飛速進步,她製造的病毒可以與 150 多種不同的材料一起使用。Belcher 還成功證明自己的的技術可以用於製造其他材料,比如太陽能電池。當然,Belcher 用病毒驅動電動車的願望還沒有實現,但這項技術離走出實驗室已經不遠了。

被稱為自然界微觀僵屍的病毒也有跨越生與死鴻溝的能力。它們擁有完整的基因組,是不折不扣的生物,但與其他生物不同,沒有宿主它們又無法繁殖。不過在 Belcher 看來,這些特性反而可以用在納米工程中,在提升電池能量密度、壽命與充電速率的同時,降低製造過程中的污染。

「在電池領域,有越來越多的人開始探索納米結構形式的正負極材料了。」約翰霍普金斯應用物理實驗室高級研究專家 Konstantinos Gerasopoulos 解釋道。「制備納米材料時我們可以使用多種常規化學技術。至於病毒等生物材料,其好處在於它們已經以「納米」形式存在,因此其本質上是用於合成電池材料的天然模板或支架。」

神奇的大自然孕育了許多方法,無需藉助病毒,就可以用無機材料構建有用的結構。Belcher 最喜歡的例子就是石決明(一種貝殼),它擁有納米級的高度結構化,輕巧且堅固。經過數千萬年的進化,石決明 DNA 產生的蛋白質可從富含礦物質的水生環境中提取鈣分子,並將其沉積在自己體內的有序結構層中。雖然沒人拿石決明製造電池,但是 Belcher 意識到,我們可以在病毒中用上同樣的基本工藝,從而為人類製造有用的材料。

「我們一直在試圖通過生物工程控制那些通常無法通過生物技法製造的納米材料。」Belcher 說道。「我們擴充了自己的生物學工具箱,以處理那些全新材料。」

Belcher 選的病毒是 M13 噬菌體,它是一種能在細菌中復制的雪茄狀病毒。盡管它不是唯一可以用於納米工程的病毒,Belcher 還是認為它是最佳選擇,因為 M13 噬菌體的遺傳物質很容易操控。

為了徵召病毒生產電極,Belcher 將其暴露於她希望病毒操縱的材料上。一些病毒 DNA 中的自然或工程突變會導致它們鎖在材料上。隨後,Belcher 提取這些病毒並將其用於感染細菌,從而產生數百萬份相同的病毒副本。這個過程一遍又一遍地重復,並且隨着每次迭代,病毒都慢慢進化成了經過精準調整的電池架構師。

Belcher 的轉基因病毒其實分不清電池的正負極,但這個能力對它們並不重要。在設定中,它們的 DNA 就只需解決簡單任務,但如果數百萬個病毒搞「毒海戰術」,就能造出可用的材料。舉例來說,轉基因的病毒可能被改造為只需表達表面上的一種蛋白質,該蛋白質能吸引氧化鈷顆粒覆蓋自己的身體。病毒表面上的其他蛋白質會吸引越來越多的氧化鈷顆粒。這樣就形成了一個鈷氧化物納米線,它由連接的病毒組成,可用於電池電極。

Belcher 的工藝將 DNA 序列與元素周期表中的元素進行匹配,從而形成非自然選擇的加速形式。對 DNA 進行單向編碼可能會導致病毒鎖定在磷酸鐵上,但是,如果對代碼進行了調整,該病毒可能就會對氧化鈷更感興趣。該技術可以擴展到元素周期表中的任何元素,只需找到與之匹配的 DNA 序列即可。從這個角度來講,Belcher 所做的工作與寵物狗愛好者進行的選擇性繁殖差別並不大,後者以創造出完美的狗為己任,而這樣的狗大自然可造不出來。不過,Belcher 可不是在繁殖貴賓犬,而是在繁殖製造病毒的電池。

簡言之,Belcher 正在使用她的病毒組裝技術來打造電極,並將該技術用在一系列不同的電池類型中。

當年,她為奧巴馬演示的電池是標準的鋰離子紐扣電池,就像石英表中使用的那種。不過,在大多數情況下,Belcher 所用的電極具有更奇特的化學性質,類似鋰空氣和鈉離子電池。她指出,這樣做是因為與成熟的鋰離子電池生產商競爭並沒有多大意義。「我們沒有試圖與當下的技術進行競爭。」Belcher 說道。「我們正在研究一個問題,即『可以用生物學來解決一些迄今為止尚未解決的問題嗎?』」

當然可以,其中一種前途廣大的應用就是使用病毒創建高度有序的電極結構,以縮短離子通過電極時的路徑。伊利諾伊大學材料研究實驗室主任 Paul Braun 就表示,這將增加電池的充電和放電速率,可以稱得上「能量存儲領域的絕技之一」。他還指出,原則上病毒組裝能顯著改善電池電極的結構並提高其充電率。

眼下,Belcher 的病毒組裝電極在結構上基本是隨機的,但她和她的同事正在努力將病毒引導為更有序的排列。盡管如此,她的病毒電池的性能還是優於傳統電極,比如更高的電池容量,循環壽命和充電率。不過 Belcher 還是強調,病毒組裝技術最大的好處在於其環保屬性。傳統的電極製造技術要求使用有毒化學物質和高溫,而 Belcher 所需的只是電極材料,處在室溫的水和一些轉基因病毒。

「我的實驗室現在最關注清潔能源技術。」Belcher 解釋道。這涵蓋了諸如電極材料的來源以及因製造電極而產生的廢品之類的問題。

Belcher 的病毒電池還未正式商業化,不過她和她的同事最近發了多篇論文(正在審閱中)詳細闡述這一技術在能源及其他行業的商業化應用前景。

當 Belcher 首次提出利用病毒製造對人類有用的東西時,她遭到了很多同事的懷疑。她回憶稱:「人們都說我瘋了。」

現在,這個想法似乎不再牽強,但將該技術從實驗室帶入現實世界可沒那麼容易。「傳統的電池製造使用廉價的材料和工藝,但要想通過病毒提高性能並解決量產問題,則需要數年的研究和相關費用。」印第安納大學布盧明頓分校化學教授 Bogdan Dragnea 解釋道。「直到最近,我們才從物理特性的角度了解了基於病毒材料的潛力所在。」

基於病毒電池的技術,Belcher 已經成立了兩家公司。一家是 2004 年成立的 Cambrios Technologies,該公司用新的製造工藝來生產觸摸屏所用的電子零部件。至於第二家公司 Siluria Technologies,則在將甲烷轉化為乙烯(一種廣泛用於製造的氣體)的過程中使用病毒。 除此之外,Belcher 還使用病毒來組裝太陽能電池,但這項技術的效率暫時還不足以與新型鈣鈦礦太陽能電池競爭。

當然,病毒參與製作電極這件事能否達到商業化生產的標准仍是一個懸而未決的問題。 Gerasopoulos 就表示:「在電池生產設備中會投入大量材料,因此要達到生物分子的水平並不是一件容易的事。」好在,他並不認為該障礙是無法克服的,但「到目前為止,這可能是最主要的挑戰之一。」

即使我們永遠開不上病毒驅動的特斯拉,Belcher 的生物驅動納米工程技術在與電力無關的領域也前景廣大。在麻省理工學院,Belcher 正與一個利用病毒組裝技術生成腫瘤追蹤納米粒子的科學家團隊合作。這些納米粒子旨在追蹤體積太小而無法被醫生檢測到的癌細胞,可以極大改善癌症患者的早期檢測並降低死亡率。此外,這些粒子還可以用能殺死癌細胞的生物材料來武裝,雖然這個目標離我們還有點遠。

在人類歷史上,病毒一直是疾病和死亡的先兆,但 Belcher 的工作卻為我們指引了未來。原來,這些死神一般的傢伙真的可以為人所用。

來源:cnBeta