【Wired硬塞】新時代電池,很可能就是用病毒製造的

麻省理工學者安吉拉·貝爾徹(Angela Belcher)找到了一種方法可以將病毒變成奈米級的組裝線;但這研究方向才剛剛開始。
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原文來自 Wired《The Next Generation of Batteries Could Be Built by Viruses》,作者 Daniel Oberhaus。台灣康泰納仕集團授權提供,由 INSIDE 翻譯編審。

2009 年,麻省理工學院生物工程學教授安吉拉·貝爾徹(Angela Belcher)前往白宮,為剛上任兩個多月的美國總統巴拉克·歐巴馬(Barack Obama)展示了一種小型電池。你或許會覺得這件事奇怪:畢竟沒有多少自由世界的領導者會專程對一個小小電池感到興趣。但這可不是一顆普通的電池,貝爾徹用了病毒來組裝鋰離子電池的正極和負極,進一步降低電池製造過程所產生的毒性並提高電池性能。在展示之後,歐巴馬立刻就宣佈將投入 20 億美元作為研究資金,而貝爾徹的這顆鈕扣型電池,也對先進電池研究指出了一條可行方向。

在白宮病毒電池十年之後,她的研究成果相當可觀,成功找到了一種可適用於 150 多種材料的病毒,並證明她的技術可以用於製造例如太陽能電池等其他材料。雖然貝爾徹「開著病毒做成的電動汽車」的夢想還沒實現,但經過多年的努力,她和麻省理工學院的同事們正準備把這項技術帶出實驗室,推向現實世界。

病毒在自然界裡可說是一種跨越了生與死之間鴻溝的「殭屍」。有的病毒就跟生物一樣擁有 DNA,但如果缺乏宿主也無法複製繁殖,讓它們被定義成生命體及非生命體之間的有機物種。然而病毒擁有用於奈米工程的潛力,正如貝爾徹的技術一樣,她把病毒用來改良電池的能量密度、壽命與充電率,甚至還能用更環保的方式製造電池。

約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室的電池研究科學家 Konstantinos Gerasopoulos 就說:「在電池研究領域,大家對探索奈米結構形式的電池電極材料越來越感興趣。」 「是有幾種方法可以使用常規化學技術來製造奈米材料,但如果用病毒等生物材料的話,好處就是它們本身就以『奈米』的形式存在,實質上就是用於合成電池材料的天然模組或支架。」

的確,在大自然中先前就有無需病毒的方法可用無機材料構建奈米結構。貝爾徹最喜歡拿鮑魚殼當做例子,鮑魚殼輕巧而堅固,本身就是高度奈米級結構,在數千萬年中,鮑魚演化出可以用自體蛋白質從環境中富含礦物質的水提取鈣分子,並將這些鈣分子沉積在自己其體內。這也讓貝爾徹靈光一現,說不定使用病毒透過類似原理,能進而幫助人類製造材料。

貝爾徹說:「我們一直透過研究生物學,來嘗試製造自然界中無法出現的奈米材料。」「而我們已成功掌握這種技術的一部分,幫我們製造新的奈米材料。」

貝爾徹研究的病毒叫做 M13 噬菌體,它是一種感染細菌、在細菌中自我複製的雪茄狀病毒。雖然不是目前世界上唯一能用於奈米工程的病毒,但貝爾徹表示由於 M13 噬菌體的 DNA 容易控制操縱,讓它特別具有研究潛力。包括 M13 噬菌體的一些病毒可以透過 DNA 自然或人為突變而具備附著在材料的能力,接著貝爾徹讓這些病毒感染細菌,從而複製數百萬個相同的病毒,隨著把這個過程不斷重複且微調,病毒就變成了電池架構師。

當然貝爾徹手上的突變病毒不懂怎麼分辨電池的陰極與陽極,但它們並不需要懂。病毒 DNA 被調整為執行簡單的任務,但是當數百萬個病毒一起執行同一個任務時,就可以用來生產有用的材料。例如病毒可能被改造成在其表面合成一種蛋白質,這種蛋白質可以吸引吸附環境中的氧化鈷,只要越多病毒一起工作,就可以用來製造可以用在電極中的氧化鈷奈米線。

貝爾徹同時也不斷實驗、調整病毒 DNA,並從中找出吸引不同化學元素的方程式;舉個例子,可能有一種病毒 DNA 對凝聚磷酸鐵有良好的能力,但科學家只要透過方程式調整一下 DNA,就能讓病毒更喜歡氧化鈷。理論上這種技術只要找到與其匹配的 DNA 序列的話,就可以擴展應用到任何化學元素。從這角度上來看,貝爾徹這種技術跟那種傳統上為了配出自然界不存在的完美品種犬的基因工程完全相反。但貝爾徹並不是在配種,而是在繁殖病毒製造電池。

貝爾徹已能用病毒組裝起電極,並成功做出一系列不同種類的電池。她為歐巴馬展示的電池是標準用在手錶,也可以為小型 LED 供電的鋰離子鈕扣電池。但貝爾徹更想做出像是鋰空氣、鈉離子等不一樣的化學電池,她認為跟那些成熟的鋰離子電池廠商競爭其實沒有太大意義。「我們不想跟現有科技競爭; 我們的初衷是,生物學可以用來解決那些至今無法解決的材料科學難題嗎?」

目前病毒電池最主要的研究課題之一就是如何透過病毒合成更有效的電極結構,來縮短離子通過電極時的路徑。伊利諾伊大學材料研究實驗室主任保羅·布勞恩(Paul Braun)就說提高電池的充電、放電速率一直以來都是能源儲存研究的「聖杯」之一,而原則上這種病毒組裝的電池確實可以透過優化電極的結構來提高電池的充電率。

不過到目前為止,貝爾徹用病毒組裝出的電極分子結構基本上還是太隨機了,但是她和她的同事正在努力引導病毒產生更固定的材料組成方式。儘管如此,她表示病毒電池的性能還是優於傳統技術所製成的電極,具備更高的能量容量、壽命和充電率。但貝爾徹說,病毒電池真正最大好處是環保,傳統電極製造技術必須在有毒化學物質和高溫環境下製作電池,但病毒電池不用,只要電極基本組成材料,就可以在常溫水中透過病毒製造。

貝爾徹說:「我的實驗室就是要研發更環保的科技;不只病毒,我們也正在研究包括電極材料來源、以及降低製造電極所產生的污染物等問題。」她雖然拒絕透露更詳細的研究環節,但表示正在寫如何將這種技術用於能源商業化的論文。

但其實貝爾徹第一次提出用病毒驅動的組裝線製造材料的概念時受到了不少同事質疑。她說:「大家都覺得我瘋了!」但現在這概念已受到一定驗證,接下來則是要挑戰把研究成果從實驗室帶入生產線。「若要解決性能問題、成本壓低到傳統電池製成相比,病毒電池還要好幾年」,印第安納大學布盧明頓分校化學教授 Bogdan Dragnea 就說,「科學界最近才比較清楚怎麼從物理特性的角度去思考病毒怎麼製造材料。」

根據她在病毒研究的經驗,貝爾徹已經與其他人合作共同創立了兩家公司。Cambrios Technologies 成立於 2004 年,試圖用類似於病毒製造的手法來製造觸控螢幕。她的第二家公司 Siluria Technologies 則是致力於想辦法透過病毒將二氧化碳有效率地轉化為乙烯。貝爾徹還甚至用過病毒來組裝太陽能電池,但其效率不足以與新型鈣鈦礦太陽能電池競爭。

病毒電池是否可以達到商業化生產所需的水準仍是一個難題。Gerasopoulos 就認為:「生物學製程的生產量要跟傳統大量化學製程相比並不容易,」他說,他並不認為無法克服,但「還是目前最主要的挑戰之一」。

即使現在世界上還看不到用病毒製造電池的特斯拉,但貝爾徹的生物奈米工程方法應用在跟電力無關的領域也具有巨大潛力,她就跟其他麻省理工的同事合作,透過這種技術用來鎖定癌細胞,原理是用奈米粒子追踪太小而無法被醫生檢測到的癌細胞,來大幅提高癌症患者的早期檢測率並降低死亡風險。儘管還非常遙遠,但理論上這些奈米生物材料甚至還可能可直接用來殺死癌細胞。

在整個人類歷史上,病毒這個詞一直代表著死亡與疾病,但貝爾徹的研究無疑用病毒幫助人類創造了更多可能性。

責任編輯:Chris
核稿編輯:Mia


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