(PhysOrg.com) -- I virus hanno una cattiva reputazione, e giustamente. La capacità di un virus di replicarsi rapidamente e con precisione lo rende un flagello distruttivo sia per gli animali che per le piante. Ora un team interdisciplinare di ricercatori presso la A. James Clark School of Engineering e il College of Agriculture and Natural Resources dell'Università del Maryland, riuniti dal professor Reza Ghodssi, sta cambiando le carte in tavola, sfruttare e sfruttare le proprietà "auto-rinnovanti" e "autoassemblanti" dei virus per uno scopo più elevato:costruire una nuova generazione di piccoli, batterie e celle a combustibile potenti e altamente efficienti.

Il rigido, virus del mosaico del tabacco (TMV) a forma di bastoncino che al microscopio elettronico sembrano spaghetti crudi, è un noto e diffuso virus vegetale che devasta il tabacco, pomodori, peperoni, e altra vegetazione. Ma in laboratorio, gli ingegneri hanno scoperto che possono sfruttare le caratteristiche del TMV per costruire minuscoli componenti per le batterie agli ioni di litio del futuro. Possono modificare le aste TMV per legarsi perpendicolarmente alla superficie metallica di un elettrodo della batteria e disporre le aste in schemi complessi e ordinati sull'elettrodo. Quindi, rivestono le aste con un film sottile conduttivo che funge da collettore di corrente e infine il materiale attivo della batteria che partecipa alle reazioni elettrochimiche.

Di conseguenza, i ricercatori possono aumentare notevolmente la superficie dell'elettrodo e la sua capacità di immagazzinare energia e consentire tempi di carica/scarica rapidi. TMV diventa inerte durante il processo di fabbricazione; le batterie risultanti non trasmettono il virus. Le nuove batterie, però, hanno un aumento fino a 10 volte della capacità energetica rispetto a una batteria agli ioni di litio standard.

"Le batterie risultanti sono un balzo in avanti in molti modi e saranno ideali per l'uso non solo in piccoli dispositivi elettronici, ma in nuove applicazioni che sono state finora limitate dalle dimensioni della batteria richiesta, " disse Ghodssi, direttore dell'Istituto per la ricerca sui sistemi e Herbert Rabin professore di ingegneria elettrica e informatica alla Clark School. "La tecnologia che abbiamo sviluppato può essere utilizzata per produrre dispositivi di accumulo di energia per microsistemi integrati come le reti di sensori wireless. Questi sistemi devono essere di dimensioni veramente ridotte, millimetriche o sub-millimetriche, in modo che possano essere implementati in grandi numeri in ambienti remoti per applicazioni come la sicurezza interna, agricoltura, monitoraggio ambientale e non solo; per alimentare questi dispositivi, sono necessarie batterie altrettanto piccole, senza compromettere le prestazioni."

La nanostruttura di TMV è la dimensione e la forma ideali da utilizzare come modello per la costruzione di elettrodi per batterie. Le sue proprietà biologiche autoreplicanti e autoassemblanti producono strutture che sono sia intricate che ordinate, che aumenta la potenza e la capacità di immagazzinamento delle batterie che le incorporano. Poiché TMV può essere programmato per legarsi direttamente al metallo, i componenti risultanti sono più leggeri, più forte e meno costoso delle parti convenzionali.

Tre fasi distinte sono coinvolte nella produzione di una batteria basata su TMV:modifica, propagazione e preparazione del TMV; elaborare il TMV per far crescere nanotubi su una piastra metallica; e incorporando le piastre rivestite di nanobarra nelle batterie finite. Ci vuole un team interdisciplinare di scienziati della messaggistica unificata e dei loro studenti per rendere possibile ogni passo.

James Culver, membro dell'Istituto di Bioscienze e Biotecnologie e professore presso il Dipartimento di Scienze Vegetali e Architettura del Paesaggio, e il ricercatore Adam Brown aveva già sviluppato modifiche genetiche al TMV che gli consentono di essere rivestito chimicamente con metalli conduttivi. Per questo progetto estraggono abbastanza virus personalizzato da poche piante di tabacco coltivate in laboratorio per sintetizzare centinaia di elettrodi della batteria. Il TMV estratto è quindi pronto per il passaggio successivo.

Gli scienziati producono una foresta di bastoncelli virali allineati verticalmente utilizzando un processo sviluppato dall'ex dottorato di ricerca di Culver. alunno, Elisabetta Royston. Una soluzione di TMV viene applicata a una piastra di elettrodi metallici. Le modificazioni genetiche programmano un'estremità del virus a forma di bastoncino per attaccarsi alla piastra. Successivamente queste foreste virali sono rivestite chimicamente con un metallo conduttivo, principalmente nichel. Oltre alla sua struttura, nessuna traccia del virus è presente nel prodotto finito, che non possono trasmettere un virus né alle piante né agli animali. Questo processo è in attesa di brevetto.

Ghodssi, dottorato di ricerca in scienze dei materiali studente Konstantinos Gerasopoulos, e l'ex associato post-dottorato Matthew McCarthy (ora membro della facoltà presso la Drexel University) hanno utilizzato questa tecnica di rivestimento dei metalli per fabbricare batterie alcaline con tecniche comuni dell'industria dei semiconduttori come la fotolitografia e la deposizione di film sottili.

Mentre la prima generazione dei loro dispositivi utilizzava i virus rivestiti di nichel per gli elettrodi, un lavoro pubblicato all'inizio di quest'anno ha studiato la fattibilità di strutturare elettrodi con il materiale attivo depositato sopra ogni nanobarra rivestita di nichel, formando un nanocomposito nucleo/guscio in cui ogni particella TMV contiene un nucleo metallico conduttivo e un guscio di materiale attivo. In collaborazione con Chunsheng Wang, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare, e il suo dottorato di ricerca studente Xilin Chen, i ricercatori hanno sviluppato diverse tecniche per formare nanocompositi di silicio e biossido di titanio sul modello TMV metallizzato. Questa architettura stabilizza il fragile, rivestimento di materiale attivo e fornisce un collegamento diretto all'elettrodo della batteria.

Nella terza e ultima fase, Chen e Gerasopoulos assemblano questi elettrodi nelle batterie sperimentali agli ioni di litio ad alta capacità. La loro capacità può essere parecchie volte superiore a quella dei materiali sfusi e nel caso del silicio, superiore a quello delle attuali batterie commerciali.

"Le strutture di nanorod abilitate ai virus sono fatte su misura per aumentare la quantità di energia che le batterie possono immagazzinare. Conferiscono un aumento dell'ordine di grandezza dell'area superficiale, stabilizzare i materiali assemblati e aumentare la conduttività, con conseguente aumento fino a 10 volte della capacità energetica rispetto a una batteria agli ioni di litio standard, "Ha detto Wang.

Un vantaggio:poiché il TMV lega il metallo direttamente sulla superficie conduttiva durante la formazione delle strutture, non sono necessari altri agenti leganti o conduttori come nelle tradizionali tecnologie di inchiostrazione utilizzate per la fabbricazione degli elettrodi.

"Il nostro metodo è unico in quanto prevede la fabbricazione diretta dell'elettrodo sul collettore di corrente; questo aumenta la potenza della batteria, e il suo ciclo di vita più lungo, " ha detto Wang.

L'uso del virus TMV nella fabbricazione delle batterie può essere ampliato per soddisfare le esigenze di produzione industriale. "Il processo è semplice, poco costoso, e rinnovabile, " aggiunge Culver. "In media, un acro di tabacco può produrre circa 2, 100 libbre di tessuto fogliare, producendo circa un chilo di TMV per chilo di foglie infette, " lui spiega.

Allo stesso tempo, microbatterie molto piccole possono essere prodotte utilizzando questa tecnologia. "La nostra tecnica di sintesi degli elettrodi, l'elevata superficie del TMV e la capacità di modellare questi materiali utilizzando processi compatibili con la microfabbricazione consentono lo sviluppo di tali batterie miniaturizzate, " aggiunge Gerasopoulos.

Sebbene il focus di questo gruppo di ricerca sia stato a lungo sullo stoccaggio di energia, la versatilità strutturale della dima TMV ne consente l'utilizzo in una varietà di interessanti applicazioni. "Questa combinazione di autoassemblaggio biologico dal basso verso l'alto e produzione dall'alto verso il basso non si limita solo allo sviluppo della batteria, " Ha detto Ghodssi. "Uno dei progetti in corso del nostro laboratorio mira allo sviluppo di sensori di rilevamento di esplosivi utilizzando versioni del TMV che legano il TNT in modo selettivo, aumentando la sensibilità del sensore. In parallelo, stiamo collaborando con i nostri colleghi di Drexel e del MIT per costruire superfici che assomiglino alla struttura delle foglie delle piante. Queste strutture biomimetiche possono essere utilizzate per studi scientifici di base, nonché per lo sviluppo di nuove superfici idrorepellenti e tubi di calore su scala micro/nano".