2009 年時，麻省理工生物工程教授 Angela Belcher 專程到白宮為新官上任的奧巴馬總統(tǒng)展示了一種新型電池。這電池到底什么來頭，居然能讓總統(tǒng)如此感興趣？
原來，Belcher 掌握了新的鋰電池正負(fù)極制造技術(shù)，但材料中有一項并不是來自元素周期表，而是我們談之色變的“病毒”。這一工程突破不但有望降低電池制造過程中的毒性，還能提高電池性能。當(dāng)時，奧巴馬準(zhǔn)備投入 20 億美元推進電池技術(shù)的進步，而 Belcher 的“病毒”電池就是未來風(fēng)向之一。
十年過去了，Belcher 的“病毒”電池也取得了飛速進步，她制造的病毒可以與 150 多種不同的材料一起使用。Belcher 還成功證明自己的的技術(shù)可以用于制造其他材料，比如太陽能電池。當(dāng)然，Belcher 用病毒驅(qū)動電動車的愿望還沒有實現(xiàn)，但這項技術(shù)離走出實驗室已經(jīng)不遠(yuǎn)了。
被稱為自然界微觀僵尸的病毒也有跨越生與死鴻溝的能力。它們擁有完整的基因組，是不折不扣的生物，但與其他生物不同，沒有宿主它們又無法繁殖。不過在 Belcher 看來，這些特性反而可以用在納米工程中，在提升電池能量密度、壽命與充電速率的同時，降低制造過程中的污染。
“在電池領(lǐng)域，有越來越多的人開始探索納米結(jié)構(gòu)形式的正負(fù)極材料了?！奔s翰霍普金斯應(yīng)用物理實驗室高級研究專家 Konstantinos Gerasopoulos 解釋道?！爸苽浼{米材料時我們可以使用多種常規(guī)化學(xué)技術(shù)。至于病毒等生物材料，其好處在于它們已經(jīng)以“納米”形式存在，因此其本質(zhì)上是用于合成電池材料的天然模板或支架?！?/p>
神奇的大自然孕育了許多方法，無需借助病毒，就可以用無機材料構(gòu)建有用的結(jié)構(gòu)。Belcher 最喜歡的例子就是石決明（一種貝殼），它擁有納米級的高度結(jié)構(gòu)化，輕巧且堅固。經(jīng)過數(shù)千萬年的進化，石決明 DNA 產(chǎn)生的蛋白質(zhì)可從富含礦物質(zhì)的水生環(huán)境中提取鈣分子，并將其沉積在自己體內(nèi)的有序結(jié)構(gòu)層中。雖然沒人拿石決明制造電池，但是 Belcher 意識到，我們可以在病毒中用上同樣的基本工藝，從而為人類制造有用的材料。
“我們一直在試圖通過生物工程控制那些通常無法通過生物技法制造的納米材料?！盉elcher 說道?！拔覀償U充了自己的生物學(xué)工具箱，以處理那些全新材料?！?/p>
Belcher 選的病毒是 M13 噬菌體，它是一種能在細(xì)菌中復(fù)制的雪茄狀病毒。盡管它不是唯一可以用于納米工程的病毒，Belcher 還是認(rèn)為它是最佳選擇，因為 M13 噬菌體的遺傳物質(zhì)很容易操控。
為了征召病毒生產(chǎn)電極，Belcher 將其暴露于她希望病毒操縱的材料上。一些病毒 DNA 中的自然或工程突變會導(dǎo)致它們鎖在材料上。隨后，Belcher 提取這些病毒并將其用于感染細(xì)菌，從而產(chǎn)生數(shù)百萬份相同的病毒副本。這個過程一遍又一遍地重復(fù)，并且隨著每次迭代，病毒都慢慢進化成了經(jīng)過精準(zhǔn)調(diào)整的電池架構(gòu)師。
Belcher 的轉(zhuǎn)基因病毒其實分不清電池的正負(fù)極，但這個能力對它們并不重要。在設(shè)定中，它們的 DNA 就只需解決簡單任務(wù)，但如果數(shù)百萬個病毒搞“毒海戰(zhàn)術(shù)”，就能造出可用的材料。舉例來說，轉(zhuǎn)基因的病毒可能被改造為只需表達(dá)表面上的一種蛋白質(zhì)，該蛋白質(zhì)能吸引氧化鈷顆粒覆蓋自己的身體。病毒表面上的其他蛋白質(zhì)會吸引越來越多的氧化鈷顆粒。這樣就形成了一個鈷氧化物納米線，它由連接的病毒組成，可用于電池電極。
Belcher 的工藝將 DNA 序列與元素周期表中的元素進行匹配，從而形成非自然選擇的加速形式。對 DNA 進行單向編碼可能會導(dǎo)致病毒鎖定在磷酸鐵上，但是，如果對代碼進行了調(diào)整，該病毒可能就會對氧化鈷更感興趣。該技術(shù)可以擴展到元素周期表中的任何元素，只需找到與之匹配的 DNA 序列即可。從這個角度來講，Belcher 所做的工作與寵物狗愛好者進行的選擇性繁殖差別并不大，后者以創(chuàng)造出完美的狗為己任，而這樣的狗大自然可造不出來。不過，Belcher 可不是在繁殖貴賓犬，而是在繁殖制造電池的病毒。
簡言之，Belcher 正在使用她的病毒組裝技術(shù)來打造電極，并將該技術(shù)用在一系列不同的電池類型中。
當(dāng)年，她為奧巴馬演示的電池是標(biāo)準(zhǔn)的鋰離子紐扣電池，就像石英表中使用的那種。不過，在大多數(shù)情況下，Belcher 所用的電極具有更奇特的化學(xué)性質(zhì)，類似鋰空氣和鈉離子電池。她指出，這樣做是因為與成熟的鋰離子電池生產(chǎn)商競爭并沒有多大意義?！拔覀儧]有試圖與當(dāng)下的技術(shù)進行競爭?！盉elcher 說道?！拔覀冋谘芯恳粋€問題，即‘可以用生物學(xué)來解決一些迄今為止尚未解決的問題嗎？’”
當(dāng)然可以，其中一種前途廣大的應(yīng)用就是使用病毒創(chuàng)建高度有序的電極結(jié)構(gòu)，以縮短離子通過電極時的路徑。伊利諾伊大學(xué)材料研究實驗室主任 Paul Braun 就表示，這將增加電池的充電和放電速率，可以稱得上“能量存儲領(lǐng)域的絕技之一”。他還指出，原則上病毒組裝能顯著改善電池電極的結(jié)構(gòu)并提高其充電率。
眼下，Belcher 的病毒組裝電極在結(jié)構(gòu)上基本是隨機的，但她和她的同事正在努力將病毒引導(dǎo)為更有序的排列。盡管如此，她的病毒電池的性能還是優(yōu)于傳統(tǒng)電極，比如更高的電池容量，循環(huán)壽命和充電率。不過 Belcher 還是強調(diào)，病毒組裝技術(shù)最大的好處在于其環(huán)保屬性。傳統(tǒng)的電極制造技術(shù)要求使用有毒化學(xué)物質(zhì)和高溫，而 Belcher 所需的只是電極材料，處在室溫的水和一些轉(zhuǎn)基因病毒。
“我的實驗室現(xiàn)在最關(guān)注清潔能源技術(shù)?！盉elcher 解釋道。這涵蓋了諸如電極材料的來源以及因制造電極而產(chǎn)生的廢品之類的問題。
Belcher 的病毒電池還未正式商業(yè)化，不過她和她的同事最近發(fā)了多篇論文（正在審閱中）詳細(xì)闡述這一技術(shù)在能源及其他行業(yè)的商業(yè)化應(yīng)用前景。
當(dāng) Belcher 首次提出利用病毒制造對人類有用的東西時，她遭到了很多同事的懷疑。她回憶稱：“人們都說我瘋了?！?/p>
現(xiàn)在，這個想法似乎不再牽強，但將該技術(shù)從實驗室?guī)氍F(xiàn)實世界可沒那么容易?！皞鹘y(tǒng)的電池制造使用廉價的材料和工藝，但要想通過病毒提高性能并解決量產(chǎn)問題，則需要數(shù)年的研究和相關(guān)費用?！庇〉诎布{大學(xué)布盧明頓分?；瘜W(xué)教授 Bogdan Dragnea 解釋道。“直到最近，我們才從物理特性的角度了解了基于病毒材料的潛力所在?！?/p>
基于病毒電池的技術(shù)，Belcher 已經(jīng)成立了兩家公司。一家是 2004 年成立的 Cambrios Technologies，該公司用新的制造工藝來生產(chǎn)觸摸屏所用的電子零部件。至于第二家公司 Siluria Technologies，則在將甲烷轉(zhuǎn)化為乙烯（一種廣泛用于制造的氣體）的過程中使用病毒。除此之外，Belcher 還使用病毒來組裝太陽能電池，但這項技術(shù)的效率暫時還不足以與新型鈣鈦礦太陽能電池競爭。
當(dāng)然，病毒參與制作電極這件事能否達(dá)到商業(yè)化生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)仍是一個懸而未決的問題。Gerasopoulos 就表示：“在電池生產(chǎn)設(shè)備中會投入大量材料，因此要達(dá)到生物分子的水平并不是一件容易的事。”好在，他并不認(rèn)為該障礙是無法克服的，但“到目前為止，這可能是最主要的挑戰(zhàn)之一?！?/p>
即使我們永遠(yuǎn)開不上病毒驅(qū)動的特斯拉，Belcher 的生物驅(qū)動納米工程技術(shù)在與電力無關(guān)的領(lǐng)域也前景廣大。在麻省理工學(xué)院，Belcher 正與一個利用病毒組裝技術(shù)生成腫瘤追蹤納米粒子的科學(xué)家團隊合作。這些納米粒子旨在追蹤體積太小而無法被醫(yī)生檢測到的癌細(xì)胞，可以極大改善癌癥患者的早期檢測并降低死亡率。此外，這些粒子還可以用能殺死癌細(xì)胞的生物材料來武裝，雖然這個目標(biāo)離我們還有點遠(yuǎn)。
在人類歷史上，病毒一直是疾病和死亡的先兆，但 Belcher 的工作卻為我們指引了未來。原來，這些死神一般的家伙真的可以為人所用。
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