Le proteine ​​sono buone per la costruzione muscolare, ma i loro elementi costitutivi potrebbero anche essere utili per costruire batterie organiche sostenibili che un giorno potrebbero essere un valido sostituto delle batterie convenzionali agli ioni di litio, senza le loro preoccupazioni per la sicurezza e l'ambiente. Utilizzando polipeptidi sintetici, che costituiscono le proteine, e altri polimeri, i ricercatori hanno mosso i primi passi verso la costruzione di elettrodi per tali fonti di energia. Il lavoro potrebbe anche fornire una nuova comprensione dei meccanismi di trasferimento degli elettroni.

I ricercatori presenteranno oggi i loro risultati all'American Chemical Society (ACS) Fall 2019 National Meeting &Exposition.

"La tendenza nel campo delle batterie in questo momento è guardare come gli elettroni vengono trasportati all'interno di una rete polimerica, "dice Tan Nguyen, un dottorato di ricerca studente che ha contribuito allo sviluppo del progetto. "La bellezza dei polipeptidi è che possiamo controllare la chimica sulle loro catene laterali in 3-D senza modificare la geometria della spina dorsale, o la parte principale della struttura. Quindi possiamo esaminare sistematicamente l'effetto del cambiamento dei diversi aspetti delle catene laterali".

Le attuali batterie agli ioni di litio possono danneggiare l'ambiente, e poiché il costo del loro riciclaggio è più elevato rispetto alla loro produzione da zero, spesso si accumulano nelle discariche. Al momento, non esiste un modo sicuro per smaltirli. Lo sviluppo di un a base di proteine, o organico, la batteria cambierebbe questa situazione.

"I legami ammidici lungo lo scheletro peptidico sono piuttosto stabili, quindi la durabilità c'è, e possiamo quindi innescare quando si rompono per il riciclaggio, "dice Karen Wooley, dottorato di ricerca, che guida il team della Texas A&M University. Prevede che i polipeptidi potrebbero eventualmente essere utilizzati in applicazioni come le batterie a flusso per immagazzinare energia elettrica. "L'altro vantaggio è che utilizzando questa architettura simile a una proteina, stiamo costruendo i tipi di conformazioni che si trovano nelle proteine ​​in natura che già trasportano gli elettroni in modo efficiente, " Wooley dice. "Possiamo anche ottimizzare questo per controllare le prestazioni della batteria."

I ricercatori hanno costruito il sistema utilizzando elettrodi realizzati con compositi di nerofumo, costruzione di polipeptidi che contengono viologeno o 2, 2, 6, 6-tetrametilpiperidina 1-ossile (TEMPO). Hanno attaccato viologeni alla matrice utilizzata per l'anodo, che è l'elettrodo negativo, e utilizzato un polipeptide contenente TEMPO per il catodo, che è l'elettrodo positivo. I viologeni e TEMPO sono molecole redox-attive. "Quello che abbiamo misurato finora per l'intervallo, la finestra potenziale tra i due materiali, è di circa 1,5 volt, adatto per applicazioni a basso fabbisogno energetico, come i biosensori, " dice Nguyen.

Per un potenziale utilizzo in una batteria organica, Nguyen ha sintetizzato diversi polimeri che adottano conformazioni differenti, come una bobina casuale, un'alfa elica e un foglio beta, per studiarne le caratteristiche elettrochimiche. Con questi peptidi in mano, Nguyen sta ora collaborando con Alexandra Danielle Easley, un dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Jodie Lutkenhaus, dottorato di ricerca, anche alla Texas A&M University, per costruire i prototipi della batteria. Parte di questo lavoro includerà test per capire meglio come funzionano i polimeri quando sono organizzati su un substrato.

Sebbene questa ricerca in fase iniziale debba fare molta strada prima che le batterie a base organica siano disponibili in commercio, la flessibilità e la varietà di strutture che le proteine ​​possono fornire promettono un ampio potenziale per lo stoccaggio di energia sostenibile che è più sicuro per l'ambiente.