新冠病毒，已經(jīng)成為目前全世界最大的敵人。

　　它讓很多人只能「自囚」于家中，社畜們結(jié)束了 996 生活 ，卻迎來了 007 的在家辦公，還逼得小學(xué)生組隊給網(wǎng)課軟件打一星。

　　它讓我們不得不壓抑自己的消費(fèi)欲望，全球電影業(yè)因疫情面臨50 億美元損失，全球航空業(yè)的收入則可能減少1130 億美元。

　　▲ 圖片來自：紐約時報

　　在這個特殊時期，似乎沒有人想和病毒扯上關(guān)系，可也有科學(xué)家想利用病毒造福人類。

　　麻省理工學(xué)院的一位生物工程教授安吉拉·貝爾徹（Angela Belcher），已經(jīng)成功研制出用病毒制造的電池，而她的終極夢想，是能夠駕駛由「病毒電池」驅(qū)動的汽車。

　　制造病毒電池

　　病毒電池其實(shí)不是最近才出現(xiàn)的技術(shù)，早在 2009 年，由安吉拉·貝爾徹帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊就已經(jīng)利用一種直徑只有 6 納米的病毒，制造出只有細(xì)胞大小的微型電池。

　　這項研究還吸引了時任美國總統(tǒng)奧巴馬的興趣，貝爾徹受邀前往白宮為奧巴馬展示了這種病毒電池。當(dāng)時奧巴馬正計劃投入 20 億美元用于支持新電池技術(shù)的開發(fā)，而貝爾徹的病毒電池則揭示了電池領(lǐng)域一個新的方向。

　　▲ . 圖片來自：wired

　　到底科學(xué)家是怎么用病毒來制造電池的？病毒電池和普通電池又有什么不同？要解答這些問題，首先需要簡單了解電池的工作原理。

　　一般的鋰電池的放電和充電，是內(nèi)部的鋰離子通過電解液在正極和負(fù)極之間運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的，正極使用的材料一般為磷酸鹽，無論是硫酸鹽還是鋰離子，這種材料也廣泛存在地球各種生命體中，因此用生物來制作電池在邏輯上是可行的。

　　不過要制造這種電池，首先就要找到可以充當(dāng)電極和導(dǎo)線的生物結(jié)構(gòu)。一開始貝爾徹打算用采用人造神經(jīng)纖維，因為動物的神經(jīng)纖維末梢就是天然的納米導(dǎo)線，但這種方式的成本和技術(shù)難度都太高，最終只能放棄。

　　后來貝爾徹在鮑魚殼身上找到了答案，他們發(fā)現(xiàn)鮑魚可以分泌出一種蛋白質(zhì)，可從富含礦物質(zhì)的水中提取碳酸鈣分子，并讓其在體內(nèi)定向排列，從而形成鮑魚殼。于是貝爾徹將編碼這種蛋白的基因移植到病毒，讓病毒擁有生成納米結(jié)構(gòu)的能力，用來制作電極和導(dǎo)線。

　　▲鮑魚殼. 圖片來自：Monad Centre of Balance

　　在自然情況下，鮑魚要形成一個完整的貝殼需要 15 年，而經(jīng)過基因編輯，在實(shí)驗室內(nèi)病毒生產(chǎn)一個電極只需要兩星期。

　　研究團(tuán)隊在分析了數(shù)百萬種病毒后，最后選擇了M13 噬菌體，這是一種形似雪茄的病毒，直徑只有 6 納米，長度 880 納米。這種病毒除了可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，而且遺傳物質(zhì)簡單，易于操控。

　　與鮑魚類似，這種病毒會在表面生成一種蛋白質(zhì)，吸附氧化鈷微粒并覆蓋在外殼，當(dāng)數(shù)百萬個病毒連接起來，就能形成一條氧化鈷線，可以作為電極使用。

　　在這個過程中，這些連成一線的病毒都是活的。眾所周知，病毒需要宿主才能存活，研究人員將病毒感染無害的細(xì)菌，來大量復(fù)制病毒。

　　通過這種方式制造的電池，不僅能提升電池的能量密度、壽命和充電效率，生產(chǎn)過程也更加環(huán)保。相比于微型電池所用的碳納米管電極材料，病毒組裝而成的電極儲能效率提升了兩倍。

　　▲普渡大學(xué)研發(fā)出的銻納米鏈負(fù)極.

　　將納米結(jié)構(gòu)用于電池作為電極材料，近年來被認(rèn)為是突破目前鋰電池瓶頸的一個重要方向。因為納米電極能更多、更快地吸收和釋放帶電離子，因此可以將電池做得更小、更輕、且容量更大。

　　約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗室的高級電池研究科學(xué)家 Konstantinos Gerasopoulos表示，使用病毒的好處在于，它們本身就以「納米」的形式存在，本質(zhì)上就是用于合成電池材料的天然模板。

　　當(dāng)然你可能會擔(dān)心，利用病毒制造電池，萬一病毒泄露感染人類，不就危險了嗎？

　　貝爾徹表示，他們使用的病毒均已經(jīng)過無害化基因改造，只會感染特定的細(xì)菌宿主，而且并不致命，只會使被感染細(xì)菌的生長速度減慢。此外這種電池報廢后可生物降解，不會像過去的鋰電池一樣對環(huán)境造成污染。

　　▲ 安吉拉·貝爾徹. 圖片來自：MIT News

　　經(jīng)過 10 年的研究，貝爾徹的病毒電池已經(jīng)取得了不少新的突破。病毒已經(jīng)可以和 150 多種材料一起使用，用以制造太陽能電池等產(chǎn)品。

　　雖然目前這種病毒電池只能給手電筒，激光筆，手表和 LED 燈等小型電子設(shè)備供電，但是貝爾徹一直在嘗試將這種技術(shù)推出市場，她與別人聯(lián)合創(chuàng)辦了兩家生物科技公司，Cambrios Technologies 和 Siluria Technologies，就是利用病毒來合成用于觸控屏的納米線，以及將二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙烯。

　　▲ 貝爾徹的病毒電池原型機(jī). 圖片來自：MIT Museum

　　但要實(shí)現(xiàn)貝爾徹理想中的「病毒電池驅(qū)動的汽車」，目前還難以做到，病毒電池的商業(yè)化存在兩個比較大的問題。

　　一是病毒體積太小，可一般電池工廠所需的原材料高達(dá)數(shù)十噸，以目前的生物分子技術(shù)實(shí)現(xiàn)這種規(guī)模的量產(chǎn)并不容易，但 Gerasopoulos 也表示「這個障礙未來并非無法克服」。

　　▲ 特斯拉的超級電池工廠.

　　二是病毒電池部分性能還比不上傳統(tǒng)的電池，貝爾徹曾用病毒制造太陽能電池，但其技術(shù)效率無法和鈣鈦礦型太陽能電池相提并論。

　　前面提到的鮑魚，能有序地排列鈣分子形成外殼，病毒電池雖然借鑒了這一原理，但目前病毒組裝的電極結(jié)構(gòu)依然是隨機(jī)的，貝爾徹團(tuán)隊正在研究如何讓病毒生成更加有序的電極結(jié)構(gòu)。

　　盡管目前病毒電池還不夠成熟，但貝爾徹表示，她的研究是希望用生物技術(shù)來解決一些目前尚未解決的問題。

　　除了病毒電池，貝爾徹還利用病毒組裝技術(shù)開發(fā)出能發(fā)現(xiàn)腫瘤的納米粒子，可以發(fā)現(xiàn)那些以為體積太小而無法被醫(yī)生發(fā)現(xiàn)的癌組織，這對早期癌細(xì)胞的檢測有很大提升。

　　當(dāng)這種病毒納米粒子進(jìn)入體內(nèi)，會定向附著在癌細(xì)胞上，在紅外光照射下會發(fā)出熒光，以此來標(biāo)記癌細(xì)胞的位置。在對小鼠的實(shí)驗中，這項技術(shù)成功讓接受卵巢癌手術(shù)的小鼠壽命延長 40%。

　　100 多年前，人類就開始用細(xì)菌發(fā)電

　　用病毒制造電池這一概念看似新穎，但你可能不知道，早在 100 多年前，人類就開始利用微生物的能量進(jìn)行發(fā)電了。

　　1911 年，英國植物學(xué)家 Michael Cressé Potter 發(fā)現(xiàn)大腸桿菌可將有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，他鉑作為電極，利用大腸桿菌和酵母菌的培養(yǎng)液，制作了世界第一個細(xì)菌電池。

　　不過直到 1976 年，日本科學(xué)家Suzuki 才制造出現(xiàn)代意義的微生物燃料電池（MFC）。到了 80 年代，倫敦皇家學(xué)院的 Peter Bennetto 以糖液作為養(yǎng)料，讓細(xì)菌在電池組里分解分子，釋放出電子向陽極運(yùn)動以產(chǎn)生電腦，經(jīng)計算這種細(xì)菌電池的發(fā)電效率比如今的太陽能電池還高 40%。

　　在過去幾十年間，人類陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了更多可以發(fā)電的細(xì)菌。從用于去除地下鈾污染物的地桿菌到我們腸道內(nèi)部的厭氧糞腸球菌，都具有轉(zhuǎn)移電子發(fā)出電能的能力。

　　不久前發(fā)表于《自然》雜志的「空氣發(fā)電機(jī)」（air-powered generator）研究，就是利用微生物地桿菌產(chǎn)生的導(dǎo)電蛋白納米線形成了 7 微米的薄膜作為電極。

　　當(dāng)?shù)鞍准{米線與電極相連后，就可以利用薄膜從空氣中吸收水分，水分子被分解成氫離子和氧離子，導(dǎo)致電荷在薄膜頂部聚集，利用兩個電極形成的電荷差讓電子流動，從而產(chǎn)生電能。

　　研究稱這種「空氣發(fā)電機(jī)」可以 7 天 24 小時不間斷地發(fā)電，而且過程中不需要外部電源。即便在極度干燥的地方，比如撒哈拉沙漠，一樣能發(fā)電，目前「空氣發(fā)電機(jī)」已經(jīng)能為小型電子設(shè)備供電。

　　此外用細(xì)菌制作的太陽能電池，甚至可以在陰天里正常發(fā)電。不列顛哥倫比亞大學(xué)的研究團(tuán)隊就用大腸桿菌開發(fā)了一種廉價、可持續(xù)的太陽能電池，不僅能產(chǎn)生比同類設(shè)備更強(qiáng)的電流，發(fā)電效率幾乎不會受到光照強(qiáng)度的影響。

　　研究人員對大腸桿菌進(jìn)行基因改造后，讓其可以生成番茄紅素，這種色素吸收光線并轉(zhuǎn)化為能量的效率很高，通過與一種礦物質(zhì)結(jié)合覆蓋在玻璃表面，就能作為電池陽極。

　　▲ 細(xì)菌太陽能電池示意圖.

　　不過這種技術(shù)還在初期階段，細(xì)菌會在發(fā)電過程中死亡，還難以達(dá)到傳統(tǒng)太陽能電池的發(fā)電量。研究人員希望將這種細(xì)菌電池用于礦井和深海勘探等微光環(huán)境。

　　利用細(xì)菌進(jìn)行發(fā)電的好處在于，驅(qū)動這些生物燃料電池的養(yǎng)料隨處可見，且成本不高。腐爛的水果、工業(yè)廢水、生活污水，甚至尿液和化糞池的水可以作為養(yǎng)料，既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)。

　　▲ 圖片來自：New Frame

　　西英格蘭大學(xué)的生物能源研究小組曾在 2015 年大學(xué)校園里建立了兩個移動廁所，在小便池放置了 8 個由微生物燃料電池構(gòu)成的電池模塊，利用尿液來驅(qū)動這些微生物燃料電池，來為 LED 燈發(fā)電。

　　▲尿液驅(qū)動細(xì)菌發(fā)電的原理圖. 圖片來自：New Frame

　　此外這個研究小組還試圖通過類似的方式來為手機(jī)發(fā)電，預(yù)計需要 600 ml 尿液（約成年人尿兩次），就能為手機(jī)充電 6 小時，給手機(jī)續(xù)航 3 小時。

　　電池的未來，可以用交給這些微生物嗎？

　　無論是病毒電池，還是發(fā)展了 100 多年的生物燃料電池，迄今為止都沒有被大規(guī)模商用。除了轉(zhuǎn)換效率不夠高和難以大規(guī)模量產(chǎn)外，成本問題也是一個不可忽視的問題。雖然細(xì)菌本身和所需的養(yǎng)料所需的成本都很低，但生產(chǎn)過程中使用的生物催化劑卻十分昂貴。

　　但科學(xué)家正在解決這些問題，生物燃料電池依然存在替代傳統(tǒng)電池的可能性。尤其是小型的可穿戴設(shè)備和心臟起搏器植入式電子設(shè)備，通過這種技術(shù)提供電源十分實(shí)用，也更加接近于商用。

　　正如愛范兒此前一篇文章所說的，電池限制了我們對智能產(chǎn)品的想象力。

　　傳統(tǒng)鋰電池的能量密度有限，過去 20 年都沒有取得太大的突破，這限制了電動車的發(fā)展，更讓全電動大型客機(jī)成為天方夜譚，像波音 737 這種大型飛機(jī)，所需的電池重量甚至要比機(jī)身更重，這顯然無法商業(yè)化。

　　▲ 電動車內(nèi)電池組的單節(jié)電池

　　同時生產(chǎn)鋰電池所需的稀有金屬，本身產(chǎn)量就有限，隨著人類對電池的需求增加，成本也不斷提高。雖然人類已經(jīng)嘗試潛入深海采礦，但也帶來了不少關(guān)于環(huán)保問題的爭議，商業(yè)化的前景并不明朗。

　　▲深海采礦的專用挖礦機(jī)。圖片來自：savethehighseas

　　如果病毒電池和細(xì)菌電池能實(shí)現(xiàn)低成本的大規(guī)模量產(chǎn)，到那時我們就真的就擁有取之不盡的電池原材料了，電池領(lǐng)域也將進(jìn)入一個全新的階段。

　　科幻電影《黑客帝國》曾描繪過一個完全靠生物電池提供的世界，只不過電影里是人類被當(dāng)做電池，來為機(jī)器人提供電力。

　　電池的未來，或許就這個星球的生物體內(nèi)。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的未来的电池，可能是用病毒做的的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。