В далеком 2009 году профессор биоинженерии из Массачусетского технологического института Анджела Белчер посетила Белый дом, чтобы показать новоиспеченному президенту США Бараку Обаме небольшой аккумулятор. Демонстрация аккумулятора — не самая типичная причина встречи с президентом, но в этом аккумуляторе была своя особенность. Для сборки положительных и отрицательных электродов литий-ионного аккумулятора Белчер применила вирусы.
Технологический прорыв обещал снизить токсичность процесса производства аккумуляторов и повысить их производительность. Тогда же президент Обама собирался выделить на новейшие аккумуляторные технологии 2 миллиарда долларов.
Спустя десять лет технология вирусной сборки значительно продвинулась. Белчер разработала вирусы, которые могут работать с более чем 150 материалами, а сама технология может применяться и, например, в солнечной энергетике. Сейчас Белчер и ее коллеги из МТИ после многих лет работы готовы вывести вирусную сборку в реальный мир.
Вирусы колеблются между живым и мертвым. У них есть ДНК, отличительная черта всех живых существ, но они не могут размножаться без организма-хозяина, что идет против определения жизни. Но это не мешает вирусам занять свою нишу в наноинженерии.
«Растет интерес к изучению наноструктур для применения в электродах батарей, — рассказывает Константинос Герасопулос, старший научный сотрудник, работающий над передовыми батареями в Лаборатории прикладной физики Джона Хопкинса. — Существует несколько способов, с помощью которых наноматериалы могут быть изготовлены с использованием традиционных химических методов. Преимущество использования биологических материалов, таких как вирусы, состоит в том, что они уже существуют в этой «нано»-форме, поэтому они по сути являются естественным шаблоном или основой для синтеза материалов для батарей».
«Мы занимаемся инженерной биологией, чтобы контролировать наноматериалы, которые обычно не выращиваются биологически, — рассказала Белчер. — Мы расширили свой биологический инструментарий для работы с новыми материалами».
Для работы с батареями был выбран бактериофаг M13, сигарообразный вирус, который размножается в бактериях. По словам ученой, это не единственный вирус, который можно использовать для наноинженерии, но его преимущество — в том, что генетическим материалом этого вируса можно манипулировать. Для размножения вирусов используются бактерии, позволяющие создавать миллионы идентичных копий вируса. С каждой фазой размножения вирусы получаются все лучше настроенными под архитектуру батареи.
Генно-инженерные вирусы не могут отличить анод аккумулятора от катода, но им это и не нужно. Их ДНК запрограммирована только для выполнения простой задачи, но, когда миллионы вирусов выполняют одну и ту же задачу вместе, они делают полезное дело. Например, генетически модифицированный вирус может быть сконструирован так, чтобы сохранять белок на своей поверхности, который, в свою очередь, притягивает частицы оксида кобальта, в итоге покрывающие его «тело». Дополнительные белки на поверхности вируса привлекают все больше частиц оксида кобальта. Это в итоге образует нанопроволоки из оксида кобальта, сделанные из связок вирусов, которые можно использовать в электроде батареи.
Белчер по большей части использовала редкие типы аккумуляторов — литий-воздушные и натрий-ионные. По словам ученой, нет особого смысла конкурировать с известными производителями литий-ионных аккумуляторов. «Мы не пытаемся конкурировать с современными технологиями, — говорит Белчер. — Мы изучаем вопрос: «Можно ли использовать биологию для решения до сих пор не решенных проблем?»».
Главное преимущество вирусной сборки аккумуляторов — в том, что она экологичнее. Традиционные технологии изготовления электродов требуют работу с токсичными химикатами и высокими температурами. Все, что нужно для вирусной сборки — электроды, вода комнатной температуры и сами вирусы.
Технология еще не вышла на рынок, но Анджела Белчер и ее коллеги уже рассматривают несколько вариантов коммерческого применения вирусных батарей в энергетике. Подробности она не рассказала. Ученая уже создала две компании, занимающиеся вирусной сборкой. Это Cambrios Technologies, основанная в 2004 году, которая использует производственный процесс, основанный на вирусах, для создания электроники для сенсорных экранов. Вторая компания, Siluria Technologies, применяет вирусы в процессе, который превращает углекислый газ в этилен, газ, широко используемый в производстве. Ранее Белчер также использовала вирусы для сборки солнечных элементов, но технология была недостаточно эффективной, чтобы конкурировать с новыми солнечными элементами на основе перовскита.
Фото: CASEY CHIN
