气凝胶和纳米泡沫性能遗传控制,设计Ni-MnOx 阴极

202107091642555106

摘要

气凝胶是一种超轻多孔材料,其基质结构可以通过互连 880 nm 长的 M13 噬菌体颗粒形成。理论上,改变噬菌体特性会改变气凝胶基质,但使用当前的生产系统尝试这样做会导致长度不均匀。最近,麻省理工学院Angela M. Belcher、Christopher A. Voigt教授团队设计了一种产生窄长度分布的噬菌粒系统,该系统可以在 50 到 2500 nm 的范围内以 0.3 nm 的增量进行调整,并且通过突变外壳蛋白,持续长度从 14 到 68 nm 不等。从 DNA 构建到气凝胶合成的每个步骤自动化的机器人工作流程用于构建 1200 个气凝胶。这用于比较使用不同基质构建的 Ni-MnOx 阴极,揭示了性能指标之间的帕累托最优关系。这项工作展示了基因工程在创建“调谐旋钮”以扫过材料参数空间方面的应用;在这种情况下,是为了创造一个强大的、高容量的电池。相关论文以题为Genetic Control of Aerogel and Nanofoam Properties, Applied to Ni–MnOx Cathode Design发表在《Advanced Functional Materials》上。

噬菌粒工程生成均匀噬菌体
噬菌粒工程生成均匀噬菌体
噬菌体长度和硬度的遗传控制
噬菌体长度和硬度的遗传控制
气凝胶创建的自动化工作流程
气凝胶创建的自动化工作流程
结构电池电极的遗传优化
结构电池电极的遗传优化


总结

该团队系统在支架噬菌体的遗传学中编码气凝胶或水凝胶的结构特征。然后可以在不改变化学或加工条件的情况下进行突变以扫描材料特性。作为一根 880 nm 的棒,M13 噬菌体的几何形状已被证明可用于支架大量材料,包括电池、催化、光伏电池、传感器和光学工具。控制杆的长度和刚度为探索噬菌体材料空间的新区域铺平了道路,具有潜在的新功能特性,但之前的努力导致混合种群导致异质材料。借助新设计的噬菌粒/辅助质粒系统 (f1-α/f1-δΔ29) 和材料构建过程的自动化,团队能够访问噬菌体模板材料开发的新参数。团队也可以通过凝胶孔隙率和支架形态来确定目标应用的最佳材料。孔隙率控制对于噬菌体模板材料的许多应用至关重要,包括柔性电极、过滤膜和药物递送系统。控制材料中的金属纳米线形态对于光子/电子纳米器件和生物医学传感器至关重要。

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