Anzeige
MIT scientists have harnessed the construction talents of tiny viruses to build ultra-small "nanowire" structures for use in very thin lithium-ion batteries. By manipulating a few genes inside these viruses, the team was able to coax the organisms to grow and self-assemble into a functional electronic device.
The goal of the work, led by MIT Professors Angela Belcher, Paula Hammond and Yet-Ming Chiang, is to create batteries that cram as much electrical energy into as small or lightweight a package as possible. The batteries they hope to build could range from the size of a grain of rice up to the size of existing hearing aid batteries.
Batteries consist of two opposite electrodes - an anode and cathode - separated by an electrolyte. In the current work, the MIT team used an intricate assembly process to create the anode.
Specifically, they manipulated the genes in a laboratory strain of a common virus, making the microbes collect exotic materials - cobalt oxide and gold. And because these viruses are negatively charged, they can be complexed between oppositely charged polymers to form thin, flexible sheets.
The result? A dense, virus-loaded film that serves as an anode.
A report on the work will appear in the April 7 issue of Science.
Belcher, the Germeshausen Professor of Materials Science and Engineering and Biological Engineering; Chiang, the Kyocera Professor of Materials Science and Engineering (MSE); and Hammond, the Mark A. Hyman Professor of Chemical Engineering (ChE), led a team of five additional researchers.
They are MSE graduate students Ki Tae Nam (the lead author), Dong-Wan Kim, Chung-Yi Chiang and Nonglak Meethong, and ChE postdoctoral associate Pil. J. Yoo.
In their research, the MIT team altered the virus’s genes so they make protein coats that collect molecules of cobalt oxide, plus gold. The viruses then align themselves on the polymer surface to form ultrathin wires. Each virus, and thus the wire, is only 6 nanometers (6 billionths of a meter) in diameter, and 880 nanometers in length.
"We can make them in larger diameters," Belcher said, "but they are all 880 nanometers in length," which matches the length of the individual virus particles. And, "once we’ve altered the genes of the virus to grow the electrode material, we can easily clone millions of identical copies of the virus to use in assembling our batteries.
"For the metal oxide we chose cobalt oxide because it has very good specific capacity, which will produce batteries with high energy density," meaning it can store two or three times more energy for its size and weight compared to previously used battery electrode materials. And adding the gold further increased the wires’ energy density, she added.
Equally important, the reactions needed to create nanowires occur at normal room temperatures and pressures, so there is no need for expensive pressure-cooking technology to get the job done.
The work is important, too, because energy density is a vital quality in batteries. A lack of energy density - meaning the amount of charge a battery of a given size can usefully carry - is what has hampered development of electric cars, since existing batteries are generally too heavy and too weak to compete with gasoline as an energy source. Still, battery technology is gradually being improved and may someday even become competitive as the price of oil escalates.
"The nanoscale materials we’ve made supply two to three times the electrical energy for their mass or volume, compared to previous materials," the team reported.
The researchers’ work was spurred by "growing evidence that ’nanostructured’ materials can improve the electrochemical properties of lithium-ion batteries," compared to more conventional batteries based on older technologies, the team wrote in Science.
But to create new battery materials, Belcher noted, special control is needed so just the right amounts of the exotic materials end up exactly where they belong. Cobalt oxide "has shown excellent electrochemical cycling properties, and is thus under consideration as an electrode for advanced lithium-ion batteries."
In earlier research, Belcher and colleagues learned they could exploit the abilities of microbes to recognize the correct molecules and assemble them where they belong.
A new means of inducing this order comes from self-assembly, a tool that is commonly used now in Hammond’s lab. "By harnessing the electrostatic nature of the assembly process with the functional properties of the virus, we can create highly ordered composite thin films combining the function of the virus and polymer systems," Hammond said.
Elizabeth Thomson | Quelle: EurekAlert!
Weitere Informationen: www.mit.edu
Innovation promises expanded roles for microsensors
08.02.2012 | Purdue University
Automatisierungstechnik: neue Montageanlage ist Modellfabrik, Lehr- und Forschungsplattform
08.02.2012 | Hochschule Darmstadt
Wissenschaftler beobachten, wie Oxytocin zentrale Schaltstellen im Gehirn erreicht und das Verhalten beeinflusst
Kuschelhormon, Treuehormon, Angstlöser – häufig gebrauchte Schlagwörter für das Neuropeptid Oxytocin, das sich in den letzten Jahren als ein Stoff erwiesen hat, der unser Verhalten in zentralen Regionen des Gehirns positiv beeinflussen kann. Was jedoch bisher völlig unklar war: Wie gelangt dieser Botenstoff aus dem Hypothalamus in die Hirnbereiche, die ...
Ein neuartiger Biopolymer-Film aus Lachs-DNA mit Silber-Nanopartikeln speichert Informationen kostengünstig und umweltverträglich.
Entstanden ist das organische System in fächer- und länderübergreifender Zusammenarbeit von Wissenschaftlern des DFG-Centers for Functional Nanostructures (CFN) am KIT und des Institute of Photonics Technologies an der National Tsing Hua University in Taiwan. Der DNA-Datenspeicher eignet sich unter anderem für biotechnische Anwendungen, etwa als Bauteil in Biosensoren.
Das System ...
Bildveröffentlichung der Europäischen Südsternwarte (Garching) - Mit dem Very Large Telescope (VLT) der ESO haben das bislang detailreichste Infrarotbild der Sternkinderstube des Carinanebels aufgenommen. Es zeigt vor dem spektakulären Hintergrund einer himmlischen Landschaft auf Gas, Staub und jungen Sterne zahlreiche nie gesehene Details und zählt zu den atemberaubendsten VLT-Bildern überhaupt.
Im Herzen der südlichen Milchstraße, im Sternbild Carina (Der Schiffskiel, [1]), befindet sich in einer Entfernung von etwa 7500 Lichtjahren die Sternkinderstube des Carinanebels. Diese ausgedehnte Wolke aus leuchtendem Gas und Staub ist von der Erde aus gesehen eine der nächstgelegenen Geburtsstätten massereicher Sterne.
Der Nebel beinhaltet einige der hellsten und ...
Auf der embedded world identifizieren Wissenschaftler der Fraunhofer ESK Lücken im Funkspektrum, um diese für zusätzliche Übertragungen zu nutzen.
Der in Halle 5, Stand 5-228, vorgestellte Prototyp zeigt das Funkspektrum in einem 3D-Spektrogramm, markiert die prognostizierten Lücken und prüft deren Eintreffen. Diese Methode, Cognitive Radio, verbessert die Übertragungsqualität in einem bereits vollen Funkspektrum ohne aufwändiges, statisches Koexistenzmanagement. Ziel ist eine höhere Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit von Funk für die Automatisierung.
...
Eine Puppe in der Puppe und noch eine drumherum – so erklärt Thomas Fässler seine Moleküle: Er packt ein Atom in einem Käfig in noch ein weiteres Atomgerüst.
Mit ihrer großen Oberfläche könnten solche Strukturen als hocheffiziente Katalysatoren dienen. Wie bei dem russischen Holzspielzeug sitzt ganz innen drin ein einzelnes kleines Zinnatom, eingepackt in eine Hülle aus zwölf Kupferatomen, und diese ist nochmals umgeben von weiteren 20 Zinnatomen.
In der Arbeitsgruppe von Professor Fässler am Institut für Anorganische ...
Anzeige
Anzeige

Zwerggalaxie hat großen Hunger
08.02.2012 | Physik Astronomie
Anti-Angst-Hormon Oxytocin wird gezielt an seine Wirkorte im Gehirn transportiert
08.02.2012 | Biowissenschaften Chemie
Obstacles No Barrier to Higher Speeds for Worms
08.02.2012 | Biowissenschaften Chemie
»Jede Sekunde zählt« Erster Internationaler Kongress zu Rettungsdienstsystemen in Neu Delhi
08.02.2012 | Veranstaltungsnachrichten
Bauwerke gebrauchstauglich halten
08.02.2012 | Veranstaltungsnachrichten
Wissenschaft im Dialog-Veranstaltungen im Wissenschaftsjahr 2012
08.02.2012 | Veranstaltungsnachrichten