(PhysOrg.com) - Os vírus têm uma má reputação - e com razão. A capacidade de um vírus se replicar com rapidez e precisão o torna um flagelo destrutivo para animais e plantas. Agora, uma equipe interdisciplinar de pesquisadores da Escola de Engenharia e da Faculdade de Agricultura e Recursos Naturais da Universidade de Maryland, A. James Clark, reunido pelo professor Reza Ghodssi, está virando a mesa, aproveitando e explorando as propriedades de "auto-renovação" e "automontagem" dos vírus para um propósito maior:construir uma nova geração de pequenos, baterias e células de combustível potentes e altamente eficientes.

O rígido, vírus do mosaico do tabaco em forma de bastonete (TMV), que sob um microscópio eletrônico parece espaguete cru, é um vírus de planta bem conhecido e difundido que devasta o tabaco, tomates, pimentas, e outra vegetação. Mas no laboratório, os engenheiros descobriram que podem aproveitar as características do TMV para construir componentes minúsculos para as baterias de íon de lítio do futuro. Eles podem modificar as hastes do TMV para se ligarem perpendicularmente à superfície metálica de um eletrodo de bateria e organizar as hastes em padrões intrincados e ordenados no eletrodo. Então, eles revestem as hastes com uma fina película condutora que atua como um coletor de corrente e, finalmente, o material ativo da bateria que participa das reações eletroquímicas.

Como resultado, os pesquisadores podem aumentar muito a área de superfície do eletrodo e sua capacidade de armazenar energia e permitir tempos de carga / descarga rápidos. TMV torna-se inerte durante o processo de fabricação; as baterias resultantes não transmitem o vírus. As novas baterias, Contudo, tem um aumento de até 10 vezes na capacidade de energia em relação a uma bateria de íon de lítio padrão.

"As baterias resultantes são um salto à frente em muitos aspectos e serão ideais para uso não apenas em pequenos dispositivos eletrônicos, mas em novas aplicações que foram limitadas até agora pelo tamanho da bateria necessária, "disse Ghodssi, diretor do Institute for Systems Research e Herbert Rabin Professor de Engenharia Elétrica e de Computação na Clark School. "A tecnologia que desenvolvemos pode ser usada para produzir dispositivos de armazenamento de energia para microssistemas integrados, como redes de sensores sem fio. Esses sistemas devem ser realmente pequenos em tamanho - milímetro ou sub-milímetro - para que possam ser implantados em grandes números em ambientes remotos para aplicações como segurança interna, agricultura, monitoramento ambiental e muito mais; para alimentar esses dispositivos, são necessárias baterias igualmente pequenas, sem comprometer o desempenho. "

A nanoestrutura do TMV tem o tamanho e a forma ideais para usar como modelo para a construção de eletrodos de bateria. Suas propriedades biológicas autorreplicantes e automontáveis ​​produzem estruturas que são intrincadas e ordenadas, o que aumenta a potência e a capacidade de armazenamento das baterias que os incorporam. Como o TMV pode ser programado para se ligar diretamente ao metal, os componentes resultantes são mais leves, mais forte e menos caro do que as peças convencionais.

Três etapas distintas estão envolvidas na produção de uma bateria baseada em TMV:modificar, propagação e preparação do TMV; processar o TMV para cultivar nanobastões em uma placa de metal; e incorporar as placas revestidas com nanobastões em baterias acabadas. É necessária uma equipe interdisciplinar de cientistas da UM e seus alunos para tornar cada etapa possível.

James Culver, membro do Instituto de Biociências e Biotecnologia e professor do Departamento de Ciências Vegetais e Arquitetura Paisagista, e o pesquisador Adam Brown já havia desenvolvido modificações genéticas no TMV que permitem que ele seja quimicamente revestido com metais condutores. Para este projeto, eles extraem o suficiente do vírus personalizado de apenas algumas plantas de tabaco cultivadas em laboratório para sintetizar centenas de eletrodos de bateria. O TMV extraído está pronto para a próxima etapa.

Os cientistas produzem uma floresta de bastonetes virais alinhados verticalmente usando um processo desenvolvido pelo ex-Ph.D. de Culver. aluna, Elizabeth Royston. Uma solução de TMV é aplicada a uma placa de eletrodo de metal. As modificações genéticas programam uma extremidade do vírus em forma de bastonete para se prender à placa. Em seguida, essas florestas virais são quimicamente revestidas com um metal condutor, principalmente níquel. Além de sua estrutura, nenhum traço do vírus está presente no produto acabado, que não pode transmitir um vírus a plantas ou animais. Este processo está com patente pendente.

Ghodssi, ciência dos materiais Ph.D. estudante Konstantinos Gerasopoulos, e o ex-associado de pós-doutorado Matthew McCarthy (agora membro do corpo docente da Drexel University) usaram essa técnica de revestimento de metal para fabricar baterias alcalinas com técnicas comuns da indústria de semicondutores, como fotolitografia e deposição de filme fino.

Embora a primeira geração de seus dispositivos usasse vírus revestidos de níquel para os eletrodos, trabalho publicado no início deste ano investigou a viabilidade de estruturação de eletrodos com o material ativo depositado no topo de cada nanobastão revestido de níquel, formando um nanocompósito núcleo / casca onde cada partícula de TMV contém um núcleo de metal condutor e uma casca de material ativo. Em colaboração com Chunsheng Wang, professor do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular, e seu Ph.D. estudante Xilin Chen, os pesquisadores desenvolveram várias técnicas para formar nanocompósitos de silício e dióxido de titânio no modelo TMV metalizado. Esta arquitetura tanto estabiliza o frágil, revestimento de material ativo e fornece uma conexão direta com o eletrodo da bateria.

Na terceira e última etapa, Chen e Gerasopoulos montam esses eletrodos nas baterias experimentais de íon-lítio de alta capacidade. Sua capacidade pode ser várias vezes maior do que a dos materiais a granel e, no caso do silício, superior ao das baterias comerciais atuais.

"Estruturas de nanobastões ativados por vírus são feitos sob medida para aumentar a quantidade de energia que as baterias podem armazenar. Eles conferem um aumento de ordem de magnitude na área de superfície, estabilizar os materiais montados e aumentar a condutividade, resultando em um aumento de até 10 vezes na capacidade de energia em relação a uma bateria de íon de lítio padrão, "Disse Wang.

Um bônus:uma vez que o TMV liga o metal diretamente na superfície condutora conforme as estruturas são formadas, nenhum outro agente de ligação ou condutor é necessário como nas tecnologias tradicionais de fundição de tinta que são usadas para a fabricação de eletrodos.

"Nosso método é o único que envolve a fabricação direta do eletrodo no coletor de corrente; isso aumenta a potência da bateria, e seu ciclo de vida mais longo, "disse Wang.

O uso do vírus TMV na fabricação de baterias pode ser ampliado para atender às necessidades de produção industrial. "O processo é simples, barato, e renovável, "Culver acrescenta." Em média, um acre de tabaco pode produzir aproximadamente 2, 100 libras de tecido foliar, produzindo aproximadamente um quilo de TMV por quilo de folhas infectadas, " ele explica.

Ao mesmo tempo, microbaterias muito pequenas podem ser produzidas usando esta tecnologia. "Nossa técnica de síntese de eletrodos, a alta área de superfície do TMV e a capacidade de padronizar esses materiais usando processos compatíveis com microfabricação permitem o desenvolvimento de tais baterias miniaturizadas, "Gerasopoulos acrescenta.

Embora o foco desta equipe de pesquisa tenha sido o armazenamento de energia, a versatilidade estrutural do modelo TMV permite seu uso em uma variedade de aplicações interessantes. "Esta combinação de automontagem biológica ascendente e fabricação descendente não se limita apenas ao desenvolvimento da bateria, "Disse Ghodssi." Um dos projetos em andamento do nosso laboratório visa o desenvolvimento de sensores de detecção de explosivos usando versões do TMV que ligam TNT seletivamente, aumentando a sensibilidade do sensor. Em paralelo, estamos colaborando com nossos colegas da Drexel e do MIT para construir superfícies que se assemelham à estrutura das folhas das plantas. Essas estruturas biomiméticas podem ser usadas para estudos científicos básicos, bem como para o desenvolvimento de novas superfícies repelentes de água e tubos de calor em escala micro / nano. "