病毒电池包括阴极、阳极和电解液三个部分。麻省理工学院工程师已完成了阳极和电解液的设计。研究人员用一种超薄的聚合物材料作为病毒电池的外壳，在薄膜上建立电池的接头，其直径仅有4～8微米。在电池接头的顶部，研究小组堆积固定电解液的聚合层。接下来，将病毒组装在在电池接头上，最终形成电池的阳极。比起微型电池用的碳纳米管电极材料来说，病毒电极的储能效果提高了2倍。一个病毒电池包括若干个电极组成的电极阵列，这样可以提高电池的输出电流。

背景

Top

病毒电池人们希望各种电器越来越小，甚至有人希望开发一种可以直接贴到耳壁上的小型音乐播放机。要把这些电器造得特别微小，一个重要的前提是让提供电源的电池变小。美国麻省理工学院的研究人员开始利用只有直径只有6纳米的病毒来制造电池，他们用这种病毒制造的微型电池的尺寸只有几十微米，只相当于一个细胞的大小。
要生产微型电池，就需要纳米电极和导线，而用金属丝来制造这些元件要求高温高压的极端环境，成本大，设备要求高。负责这项研究的麻省理工学院的贝尔彻教授决定向自然界学习，希望制造一种仿生材料。她最先想到的是神经纤维，动物的神经纤维末梢就是一种天然的纳米导线，它们可以传递神经电信号。由于人造神经纤维的生产成本十分高，难度特别大，他们放弃了这一计划。
后来，研究人员从鲍鱼贝壳的形成过程得到了启示。他们发现鲍鱼分泌的一种蛋白质可迫使碳酸钙分子定向排列，逐渐形成鲍鱼坚硬的贝壳。贝尔彻等人提取了制造这种特殊蛋白质的鲍鱼基因，把它通过基因技术移植到病毒中。在特殊蛋白质的控制下，这些病毒可以自动地首尾相连，形成一种纳米级别的生物导线，可以用来制造电池的电极和导线。这种技术有个专门的科学术语，叫做“自组装技术”。
更为可喜的是，病毒的这种生物自组装过程不需要高温高压，也不需要特别昂贵的设备，只要培养液合适，它们在常温下就可以完成组装。在自然界的环境中，鲍鱼要形成一个完整的贝壳需要15年。而在实验室条件下，这些病毒组装一个电极只需要两星期。病毒电池的主要材料是一般电子元件所采用的材料，采用病毒作为电极和导线后，电池一下子就变得很小了，而且这种电池具有透明、柔软和可折叠的优点。

制作方法

Top

病毒电池——制作首先将长条状的M13病毒进行基因编程，使其表面可以生长出作为电极的无定形磷酸铁。无定形磷酸铁一般来说并非良好的导体，但它在纳米尺度下则成为一种有用的电池材料。这些病毒的末端被设计成与碳纳米管连接，从而形成一种可在电池内增进导电性能的网络结构。
科学家们利用显微镜对数以百万计的病毒DNA进行扫描后，选定了M13病毒。这种病毒长度为880纳米，是一种非常简单且容易操控的病毒，对人体无害。
研究小组首先利用遗传工程使M13病毒的外壳吸附上三氧化二钴和金，随后将其装配入薄膜中，从而制成一个正极。
接下来便是解决负极的问题，这是一项更具有挑战性的工作，因此它需要很高的传导性。研究小组利用工程学的方法在M13病毒上积聚了磷酸铁离子，并将其与一个由碳纳米管制成的高传导性网络连接在一起。电子可以迅速地在这一系统中传递，进而增加负极的容量。实际上，Belcher研制的电池与商业应用的锂电池具有相同的性能，同时至少能够充电和放电100次。研究小组在4月2日的美国《科学》杂志网络版上报告了这一研究成果。
这一基于病毒的技术将成为生产电池的第一种生物学手段。Belcher强调，除了碳纳米管之外的所有系统都是在室温下制成的，并且只将水作为一种溶剂。最后，当这种电池报废和降解后，它不会留下任何有毒的化学物质。Belcher表示：“这绝对是一种非常清洁的方法。”
无论是在组装过程还是在电池的使用过程中，这些连成一线的病毒都是活的。贝尔彻和她的小组用显微镜扫描了数以百万计的病毒DNA，从而为这一工作筛选出最好的候选病毒。他们最终选择的病毒是长条状的M13病毒，其直径仅6纳米，长为880纳米，它是一种非常简单而且容易被操纵的病毒。他们正通过无害的微生物细胞来复制M13病毒，然后再把它们组装到高分子材料上。