Les protéines sont bonnes pour la construction musculaire, mais leurs éléments constitutifs pourraient également être utiles pour construire des batteries organiques durables qui pourraient un jour être un substitut viable aux batteries lithium-ion conventionnelles, sans leurs préoccupations en matière de sécurité et d'environnement. En utilisant des polypeptides synthétiques - qui composent les protéines - et d'autres polymères, les chercheurs ont fait les premiers pas vers la construction d'électrodes pour de telles sources d'énergie. Les travaux pourraient également fournir une nouvelle compréhension des mécanismes de transfert d'électrons.

Les chercheurs présenteront leurs résultats aujourd'hui lors de la réunion et exposition nationale de l'American Chemical Society (ACS) à l'automne 2019.

« La tendance actuelle dans le domaine des batteries est de regarder comment les électrons sont transportés dans un réseau polymère, " dit Tan Nguyen, un doctorat étudiant qui a aidé à développer le projet. "La beauté des polypeptides est que nous pouvons contrôler la chimie de leurs chaînes latérales en 3-D sans changer la géométrie du squelette, ou la partie principale de la structure. Ensuite, nous pouvons examiner systématiquement l'effet de la modification de différents aspects des chaînes latérales."

Les batteries lithium-ion actuelles peuvent nuire à l'environnement, et parce que le coût de leur recyclage est plus élevé que celui de leur fabrication à partir de zéro, ils s'accumulent souvent dans les décharges. À l'heure actuelle, il n'y a aucun moyen sûr de s'en débarrasser. Développer une base de protéines, ou bio, la batterie changerait cette situation.

"Les liaisons amide le long du squelette peptidique sont assez stables, donc la durabilité est là, et on peut alors déclencher quand ils tombent en panne pour le recyclage, " dit Karen Wooley, Doctorat., qui dirige l'équipe de la Texas A&M University. Elle envisage que les polypeptides pourraient éventuellement être utilisés dans des applications telles que les batteries à flux pour stocker l'énergie électrique. "L'autre avantage est qu'en utilisant cette architecture de type protéine, nous construisons les types de conformations que l'on trouve dans les protéines dans la nature qui transportent déjà efficacement les électrons, " dit Wooley. " Nous pouvons également optimiser cela pour contrôler les performances de la batterie. "

Les chercheurs ont construit le système à l'aide d'électrodes en composites de noir de carbone, construire des polypeptides qui contiennent soit du viologène soit 2, 2, 6, 6-tétraméthylpipéridine 1-oxyle (TEMPO). Ils ont attaché des viologènes à la matrice utilisée pour l'anode, qui est l'électrode négative, et utilisé un polypeptide contenant du TEMPO pour la cathode, qui est l'électrode positive. Les viologènes et TEMPO sont des molécules redox-actives. "Ce que nous avons mesuré jusqu'à présent pour la gamme, la fenêtre de potentiel entre les deux matériaux, est d'environ 1,5 volts, adapté aux applications à faible consommation d'énergie, tels que les biocapteurs, " dit Nguyen.

Pour une utilisation potentielle dans une batterie organique, Nguyen a synthétisé plusieurs polymères qui adoptent des conformations différentes, comme une bobine aléatoire, une hélice alpha et une feuille bêta, pour étudier leurs caractéristiques électrochimiques. Avec ces peptides en main, Nguyen collabore maintenant avec Alexandra Danielle Easley, un doctorat étudiante au laboratoire de Jodie Lutkenhaus, Doctorat., également à la Texas A&M University, pour construire les prototypes de batterie. Une partie de ce travail comprendra des tests pour mieux comprendre comment les polymères fonctionnent lorsqu'ils sont organisés sur un substrat.

Bien que cette recherche à un stade précoce ait encore du chemin à parcourir avant que les batteries à base organique ne soient disponibles dans le commerce, la flexibilité et la variété des structures que les protéines peuvent fournir promettent un large potentiel de stockage d'énergie durable et plus sûr pour l'environnement.