(PhysOrg.com) - Les virus ont mauvaise réputation - et à juste titre. La capacité d'un virus à se répliquer rapidement et précisément en fait un fléau destructeur pour les animaux comme pour les plantes. Désormais membre d'une équipe interdisciplinaire de chercheurs de la A. James Clark School of Engineering et du College of Agriculture and Natural Resources de l'Université du Maryland, réunis par le professeur Reza Ghodssi, fait tourner les tables, exploiter et exploiter les propriétés « d'auto-renouvellement » et d'« auto-assemblage » des virus dans un but plus élevé :construire une nouvelle génération de petits, batteries et piles à combustible puissantes et très efficaces.

Le rigide, virus de la mosaïque du tabac (TMV) en forme de bâtonnet, qui au microscope électronique ressemble à des spaghettis crus, est un virus végétal bien connu et répandu qui dévaste le tabac, tomates, poivrons, et autres végétaux. Mais au labo, les ingénieurs ont découvert qu'ils peuvent exploiter les caractéristiques du TMV pour construire de minuscules composants pour les batteries lithium-ion du futur. Ils peuvent modifier les tiges TMV pour se lier perpendiculairement à la surface métallique d'une électrode de batterie et disposer les tiges selon des motifs complexes et ordonnés sur l'électrode. Puis, ils enrobent les tiges d'une couche mince conductrice qui agit comme un collecteur de courant et enfin la matière active de la batterie qui participe aux réactions électrochimiques.

Par conséquent, les chercheurs peuvent augmenter considérablement la surface de l'électrode et sa capacité à stocker de l'énergie et permettre des temps de charge/décharge rapides. Le TMV devient inerte pendant le processus de fabrication; les batteries résultantes ne transmettent pas le virus. Les nouvelles piles, cependant, ont une capacité énergétique jusqu'à 10 fois supérieure à celle d'une batterie lithium-ion standard.

« Les batteries qui en résultent constituent un bond en avant à bien des égards et seront idéales pour une utilisation non seulement dans les petits appareils électroniques, mais aussi dans de nouvelles applications qui ont été limitées jusqu'à présent par la taille de la batterie requise, " dit Ghodssi, directeur de l'Institute for Systems Research et Herbert Rabin professeur de génie électrique et informatique à la Clark School. "La technologie que nous avons développée peut être utilisée pour produire des dispositifs de stockage d'énergie pour des microsystèmes intégrés tels que des réseaux de capteurs sans fil. Ces systèmes doivent être de très petite taille - millimétrique ou submillimétrique - afin qu'ils puissent être déployés dans de grands numéros dans des environnements distants pour des applications comme la sécurité intérieure, agriculture, surveillance environnementale et plus encore; pour alimenter ces appareils, des piles tout aussi petites sont nécessaires, sans compromis sur les performances."

La nanostructure de TMV est la taille et la forme idéales à utiliser comme modèle pour la construction d'électrodes de batterie. Ses propriétés biologiques d'auto-réplication et d'auto-assemblage produisent des structures à la fois complexes et ordonnées, ce qui augmente la puissance et la capacité de stockage des batteries qui les intègrent. Comme le TMV peut être programmé pour se lier directement au métal, les composants résultants sont plus légers, plus solide et moins cher que les pièces conventionnelles.

Trois étapes distinctes sont impliquées dans la production d'une batterie à base de TMV :la modification, propagation et préparation du TMV; traiter le TMV pour faire croître des nanotiges sur une plaque métallique ; et incorporer les plaques revêtues de nanotiges dans des batteries finies. Il faut une équipe interdisciplinaire de scientifiques de l'UM et de leurs étudiants pour rendre chaque étape possible.

James Culver, membre de l'Institute for Bioscience and Biotechnology et professeur au Département de phytologie et d'architecture du paysage, et le chercheur Adam Brown avait déjà développé des modifications génétiques du TMV qui lui permettent d'être revêtu chimiquement de métaux conducteurs. Pour ce projet, ils extraient suffisamment de virus personnalisé à partir de quelques plants de tabac cultivés en laboratoire pour synthétiser des centaines d'électrodes de batterie. Le TMV extrait est alors prêt pour l'étape suivante.

Les scientifiques produisent une forêt de bâtonnets de virus alignés verticalement à l'aide d'un processus développé par l'ancien doctorant de Culver. étudiant, Elizabeth Royston. Une solution de TMV est appliquée sur une plaque d'électrode métallique. Les modifications génétiques programment une extrémité du virus en forme de bâtonnet à attacher à la plaque. Ensuite, ces forêts virales sont recouvertes chimiquement d'un métal conducteur, majoritairement nickel. Outre sa structure, aucune trace du virus n'est présente dans le produit fini, qui ne peut transmettre un virus ni aux plantes ni aux animaux. Ce procédé est en instance de brevet.

Ghodssi, Ph.D. science des matériaux étudiant Konstantinos Gerasopoulos, et l'ancien associé postdoctoral Matthew McCarthy (maintenant membre du corps professoral de l'Université Drexel) ont utilisé cette technique de revêtement métallique pour fabriquer des piles alcalines avec des techniques courantes de l'industrie des semi-conducteurs telles que la photolithographie et le dépôt de couches minces.

Alors que la première génération de leurs appareils utilisait des virus recouverts de nickel pour les électrodes, des travaux publiés plus tôt cette année ont étudié la faisabilité de structurer des électrodes avec le matériau actif déposé au-dessus de chaque nanotige recouverte de nickel, formant un nanocomposite noyau/enveloppe où chaque particule de TMV contient un noyau métallique conducteur et une enveloppe en matériau actif. En collaboration avec Chunsheng Wang, professeur au Département de génie chimique et biomoléculaire, et son doctorat étudiant Xilin Chen, les chercheurs ont développé plusieurs techniques pour former des nanocomposites de silicium et de dioxyde de titane sur la matrice TMV métallisée. Cette architecture stabilise à la fois le fragile, revêtement de matière active et lui assure une connexion directe à l'électrode de la batterie.

Dans la troisième et dernière étape, Chen et Gerasopoulos assemblent ces électrodes dans les batteries lithium-ion expérimentales à haute capacité. Leur capacité peut être plusieurs fois supérieure à celle des matériaux en vrac et dans le cas du silicium, supérieur à celui des batteries commerciales actuelles.

« Les structures de nanotiges activées par les virus sont conçues sur mesure pour augmenter la quantité d'énergie que les batteries peuvent stocker. Elles confèrent une augmentation de la surface d'un ordre de grandeur, stabiliser les matériaux assemblés et augmenter la conductivité, résultant en une augmentation jusqu'à 10 fois de la capacité énergétique par rapport à une batterie lithium-ion standard, " a dit Wang.

Un bonus :puisque le TMV lie le métal directement sur la surface conductrice au fur et à mesure de la formation des structures, aucun autre agent liant ou conducteur n'est nécessaire comme dans les technologies traditionnelles de coulée d'encre qui sont utilisées pour la fabrication des électrodes.

"Notre méthode est unique en ce qu'elle implique la fabrication directe de l'électrode sur le collecteur de courant; cela augmente la puissance de la batterie, et son cycle de vie plus long, " dit Wang.

L'utilisation du virus TMV dans la fabrication des batteries peut être étendue pour répondre aux besoins de production industrielle. "Le processus est simple, peu coûteux, et renouvelable, " Culver ajoute. " En moyenne, un acre de tabac peut en produire environ 2, 100 livres de tissu foliaire, produisant environ une livre de TMV par livre de feuilles infectées, " il explique.

À la fois, de très petites microbatteries peuvent être produites à l'aide de cette technologie. "Notre technique de synthèse d'électrodes, la grande surface spécifique du TMV et la capacité de modeler ces matériaux à l'aide de procédés compatibles avec la microfabrication permettent le développement de telles batteries miniaturisées, " ajoute Gerasopoulos.

Bien que cette équipe de recherche se concentre depuis longtemps sur le stockage d'énergie, la polyvalence structurelle du modèle TMV permet son utilisation dans une variété d'applications passionnantes. "Cette combinaison d'auto-assemblage biologique ascendant et de fabrication descendante ne se limite pas au développement de la batterie uniquement, " a déclaré Ghodssi. " L'un des projets en cours de notre laboratoire vise le développement de capteurs de détection d'explosifs utilisant des versions du TMV qui lient sélectivement le TNT, augmenter la sensibilité du capteur. En parallèle, nous collaborons avec nos collègues de Drexel et du MIT pour construire des surfaces qui ressemblent à la structure des feuilles des plantes. Ces structures biomimétiques peuvent être utilisées pour des études scientifiques de base ainsi que pour le développement de nouvelles surfaces hydrofuges et de caloducs à l'échelle micro/nano. »