У далекому 2009 році професор біоінженерії з Массачусетського технологічного інституту Анджела Белчер відвідала Білий дім, щоб показати новоспеченому президенту США Бараку Обамі невеликий акумулятор. Демонстрація акумулятора — не найтиповіша причина зустрічі з президентом, але в цьому акумуляторі була своя особливість. Для збірки позитивних та негативних електродів літій-іонного акумулятора Белчер застосувала віруси.
Технологічний прорив обіцяв знизити токсичність процесу виробництва акумуляторів та підвищити їхню продуктивність. Тоді ж президент Обама збирався виділити на новітні акумуляторні технології 2 мільярди доларів.
За десять років технологія вірусної збірки значно просунулася. Белчер розробила віруси, які можуть працювати з більш ніж 150 матеріалами, а сама технологія може застосовуватися і, наприклад, у сонячній енергетиці. Зараз Белчер та її колеги з МТІ після багатьох років роботи готові вивести вірусну збірку в реальний світ.
Віруси коливаються між живим та мертвим. У них є ДНК, відмінна риса всіх живих істот, але вони не можуть розмножуватися без організма-господаря, що йде проти визначення життя. Але це не заважає вірусам зайняти свою нішу в наноінженерії.
«Зростає інтерес до вивчення наноструктур для застосування в електродах батарей, — розповідає Константінос Герасопулос, старший науковий співробітник, що працює над передовими батареями в Лабораторії прикладної фізики Джона Хопкінса. — Існує кілька способів, за допомогою яких наноматеріали можуть бути виготовлені з використанням традиційних хімічних методів. Перевага використання біологічних матеріалів, таких як віруси, полягає в тому, що вони вже існують в цій «нано»-формі, тому вони по суті є природним шаблоном або основою для синтезу матеріалів для батарей».
«Ми займаємося інженерної біологією, щоб контролювати наноматеріали, які зазвичай не вирощуються біологічно, — розповіла Белчер. — Ми розширили свій біологічний інструментарій для роботи з новими матеріалами».
Для роботи з батареями був обраний бактеріофаг M13, сигароподібний вірус, який розмножується в бактеріях. За словами вченої, це не єдиний вірус, який можна використовувати для наноінженерії, але його перевага — в тому, що генетичним матеріалом цього вірусу можна маніпулювати. Для розмноження вірусів використовуються бактерії, що дозволяють створювати мільйони ідентичних копій вірусу. З кожною фазою розмноження віруси виходять все краще налаштованими під архітектуру батареї.
Генно-інженерні віруси не можуть відрізнити анод акумулятора від катода, але їм це і не потрібно. Їхня ДНК запрограмована тільки для виконання простого завдання, але, коли мільйони вірусів виконують одну і ту ж задачу разом, вони роблять корисну справу. Наприклад, генетично модифікований вірус може бути сконструйований так, щоб зберігати білок на своїй поверхні, який, в свою чергу, притягує частинки оксиду кобальту, які в результаті покривають його «тіло». Додаткові білки на поверхні вірусу привертають все більше частинок оксиду кобальту. Це в підсумку утворює нанопроволоки з оксиду кобальту, зроблені зі зв’язок вірусів, які можна використовувати в електроді батареї.
Белчер здебільшого використовувала рідкісні типи акумуляторів — літій-повітряні та натрій-іонні. За словами вченої, немає особливого сенсу конкурувати з відомими виробниками літій-іонних акумуляторів. «Ми не намагаємося конкурувати з сучасними технологіями, — каже Белчер. — Ми вивчаємо питання: “Чи можна використовувати біологію для вирішення досі не вирішених проблем?”».
Головна перевага вірусної збірки акумуляторів — в тому, що вона є більш екологічною. Традиційні технології виготовлення електродів вимагають роботу з токсичними хімікатами і високими температурами. Все, що потрібно для вірусної збірки — електроди, вода кімнатної температури та самі віруси.
Технологія ще не вийшла на ринок, але Анджела Белчер та її колеги вже розглядають кілька варіантів комерційного застосування вірусних батарей в енергетиці. Подробиці вона не розповіла. Вчена вже створила дві компанії, що займаються вірусною зборкою. Це Cambrios Technologies, заснована в 2004 році, яка використовує виробничий процес, заснований на вірусах, для створення електроніки для сенсорних екранів. Друга компанія, Siluria Technologies, застосовує віруси в процесі, який перетворює вуглекислий газ на етилен, газ, широко використовуваний у виробництві. Раніше Белчер також використовувала віруси для збірки сонячних елементів, але технологія була недостатньо ефективною, щоб конкурувати з новими сонячними елементами на основі перовскіта.
Фото: CASEY CHIN
