Исследователи представят свои результаты на 59-м ежегодном собрании Биофизического общества, которое состоится 7-11 февраля в Балтиморе, штат Мэриленд.«Биология дает нам несколько инструментов для решения важных проблем, — сказала Евгения Баранникова, аспирантка UMBC. Баранникова работает в лаборатории Марка Аллена и изучает, как вообще биологические молекулы могут улучшить свойства неорганических материалов в батареях. «Имитируя биологические процессы, мы можем найти лучшее решение», — сказала она.Одна из проблем, с которыми в настоящее время сталкиваются исследователи аккумуляторов, — это сложность работы с наноразмерными материалами, которые из-за их очень маленького размера трудно контролировать и удерживать на месте.
Однако разочарование от работы с наноразмерными материалами стоит преодолеть. Наноструктурированные электроды в литий-ионных аккумуляторах имеют ряд преимуществ по сравнению с электродами из массивного материала, в том числе более короткие расстояния для перемещения несущих заряд частиц и большую площадь поверхности, которая обеспечивает больше активных участков для возникновения электрохимических реакций — все это означает батареи, которые легче и дольше.Чтобы решить проблему производства в наномасштабе, Баранникова и ее коллеги обратились за помощью к биологическим молекулам, называемым пептидами. Сами по себе пептиды, состоящие из цепочек молекул, известных как аминокислоты, встречаются в природе и связываются со многими различными типами органических и неорганических материалов, в зависимости от их последовательности аминокислот.
Они играют множество ролей в организме человека, от передачи сигналов в головном мозге до регулирования уровня сахара в крови, а некоторые лекарства, такие как инсулин, состоят из пептидов.По словам Баранниковой, одним из источников вдохновения для ее исследования было то, как такие организмы, как моллюски, используют пептиды для контроля роста своей раковины. По ее словам, они демонстрируют замечательный контроль при создании сложных нано- и макроструктур из неорганических материалов, таких как карбонат кальция.Исследователи позаимствовали общий подход моллюсков, но им пришлось прибегнуть к волшебству лабораторного стенда, чтобы найти подходящий пептид.
В конце концов, ни одна улитка не делает свою раковину из оксида лития, марганца и никеля.Баранникова и ее коллеги использовали процедуру под названием «Фаговый дисплей» для скрининга более одного миллиарда возможных пептидов в поисках одного, который будет прочно прилипать к оксиду лития, марганца и никеля. «Пептидная библиотека», которую искали исследователи, коммерчески производится лабораторной компанией-поставщиком и содержит огромное количество произвольно скомбинированных аминокислотных последовательностей, включенных в белок, созданный вирусом, называемым бактериофагом M13.Исследователи выделили пептид, который связывается с оксидом лития-марганца-никеля, объединив библиотеку с образцом оксида металла, а затем многократно смыв пептиды, которые к нему не прилипли.
Затем исследователи объединили недавно открытый пептид с ранее изолированным пептидом, который связывается с углеродными нанотрубками. Углеродные нанотрубки могут служить проводящими нанопроводами в литий-ионных электродах.Полученный пептид может затем образовывать мостик, связываясь как с наночастицами оксида лития, марганца, никеля, так и с углеродными нанотрубками и удерживая их близко друг к другу, чтобы они могли поддерживать соединение в течение нескольких циклов зарядки.
Помогая поддерживать высокоорганизованную архитектуру в наномасштабе, исследователи ожидают, что их пептиды улучшат мощность и стабильность при циклической работе будущих литий-ионных аккумуляторов, что позволит им быть меньше и поддерживать более длительный срок службы.В настоящее время команда проверяет, насколько хорошо работают новые катоды.
В дальнейшем Баранникова планирует изготовить анод с использованием аналогичных технологий и объединить два компонента. «Я надеюсь продемонстрировать целую батарею биотемплейтов в своей докторской диссертации», — сказала она.