อันนี้มาจากเรื่อง ที่นักวิจัยได้รับรางวัลการประดิษฐ์ที่เยี่ยมสุดๆ (breakthrough award) หลายปีมาแล้ว หลังจากนั้นทีมวิจัยก็เผยแพร่ข้อมูล ความก้าวหน้าอย่างสม่ำเสมอ เป็นเรื่องราวของการนำไวรัสมาช่วยสร้างอิเล็กโทรด สำหรับแบตเตอรี่ขนาดนาโนเมตร
แบตเตอรี่ ประกอบด้วยเซล (Voltaic cells) อย่างน้อย 1 เซล ซึ่งเซลจะประกอบด้วยสองส่วน (half-cell) ส่วนหนึ่งเป็นขั้วบวก (cathode) และอีกส่วนเป็นขั้วลบ (anode) ทั้งสองต่อเชื่อมด้วยสะพานที่ยอมให้ไอออนผ่าน แต่ไม่ยอมให้น้ำผ่าน (salt bridge) ในเซลจะเกิดปฏิกิริยารีดักชันที่คาโธด และปฏิกิริยาอ็อกซิเดชันที่แอโนด เช่น กรณีขั้วแอโนดเป็นตะกั่ว (Pb, Lead) ที่มีเลขอ็อกซิเดชันเป็นศูนย์ เมื่ออยู่ในกรดซัลฟูริกจะถูกอ็อกซิไดซ์ไปเป็น Lead sulfate (PbSO4) ซึ่งมีเลขอ็อกซิเดชันเป็นบวกสอง ในขณะที่ขั้วคาโธดซึ่งเป็นอ็อกไซด์ของตะกั่วที่มีเลขอ็อกซิเดชัน เป็น 4 จะถูกรีดิวซ์ในกรดซัลฟุริกโดยใช้ 2 อิเล็กตรอนในปฏิกิริยา (เป็นอิเล็กตรอนที่วิ่งผ่านสายนอกเซล มาเข้าที่ขั้วคาโธด แล้วเข้าร่วมในปฏิกิริยารีดักชันต่อไป) ไปเป็น Lead sulfate (PbSO4) [5,7]
ในแบตเตอรีชนิดลิเธียมไอออน
ขั้วแอโนดมีสารประกอบด้วยลิเธียม
ดังนั้นจะเป็นแหล่งให้ไอออนและอิเล็กตรอน
ส่วนขั้วแคโธดจะเป็นวัสดุที่สามารถรับไอออนของลิเธียมเข้าไปในโครงสร้างจึงเป็นตัวรับของทั้งไอออนและอิเล็กตรอน
เมื่อแบตเตอรี่ถูกใช้งาน ไอออนของลิเธียมจะไหลจากแอโนดไปแคโธด
ส่วนอิเล็กตรอนจะวิ่งออกไปตามสายที่ต่อข้างนอกเซล
การไหลของอิเล็กตรอนนี้ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าใช้งาน
และวิ่งกลับเข้าสู่เซลที่ขั้วคาโธด
ในทางกลับกันเมื่อชาร์จไฟเข้าแบตเตอรี่
ไอออนของลิเธียมจะไหลกลับสู่ขั้วแอโนด [6]
ภาพ แบตเตอรี่ ขณะใช้งานและขณะชาร์ฟไฟเข้า [9]
การสร้างอุปกรณ์ขนาดจิ๋ว (nano devices)
ขณะนี้ ปัญหาอยู่ที่การสร้างแบตเตอรี่ขนาดเล็กมากๆ
สำหรับให้พลังงาน
และในแบตเตอรี่ขนาดเล็กมากนี้ จะมีระยะห่างระหว่างขั้วน้อยมาก
(ซึ่งโดยปกติในระยะใกล้ๆกันมากนี้ วัสดุอาจจะผลักหรือดูดเข้ากัน)
จึงต้องเลือกส่วนประกอบของวัสดุที่เหมาะสมที่จะคงรักษาระยะที่เหมาะสมระหว่างขั้วทั้งสองนี้
ภาพ การใช้องค์ประกอบให้เกิดแรงผลักและดูดอย่างเหมาะสม และระยะระหว่าง แอโนดและ แคโธด [10]
การพัฒนาแบตเตอรีขนาดจิ๋วขณะนี้
จึงอาศัยหลักการใช้ แรงที่พื้นผิว (surface forces ที่พบทั่วไป
เช่นแรงที่ทำให้ฝุ่นเกาะติดที่เพดาน
หรือทำให้คราบสิ่งสกปรกหลุดออกจากผ้าในขณะซักผ้า)
มาสร้างรอยต่อของกระแสไฟฟ้าและสารเคมี (electrochemical
junction)
ซึ่งผู้วิจัยได้ทำการทดลองปรับปรุงคุณภาพของวัสดุสำหรับขั้วแอโนด
และแคโธด
ทีมนักวิจัยจาก MIT ได้นำไวรัสของแบคทีเรีย ชื่อ M13 ที่มีรูปร่างเป็นเส้น
มาดัดแปลงพันธุกรรม ทำให้มีความสามารถไปดึงโลหะหนักทั้ง
โคบอลท์อ็อกไซด์ (LiCoO2) และทองคำ จากสารละลายมาประกอบตัวไวรัส
เกิดเป็นสายลวดขนาดจิ๋ว (ขนาดนาโนเมตร บางกว่าแผ่นกระดาษ
17,000 เท่า) ที่สามารถนำมาเป็นอิเล็กโทรดของแบตเตอรี่ชนิด
ลิเทียมไอออน (ซึ่งจะมีขนาดเล็กกว่าเซลของมนุษย์) อิเล็กโทรดที่ได้นี้สามารถเก็บพลังงานได้มากกว่าอิเล็กโทรดทั่วไป
2-3 เท่า [1] และมีข้อดีอีกอย่างของการใช้ไวรัสมาช่วยสร้าง
คือจะลดค่าใช้จ่ายในการผลิต
ภาพ ไวรัส M13 (SEM & TEM) [11]
สายลวดที่ไวรัสสร้างได้เป็นในภาพต่อไปนี้ [12, see article in further reading]
ภาพ โคบอลท์อ็อกไซด์ที่ได้ บนปลายของ cantilever ของกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM) [13]
ความคิดต่อไปของทีมนักวิจัย คือ
การนำสิ่งที่ได้นำไปผลิตออกมาใน 3 รูปแบบ [2]
1. แผ่นฟิลม์ เพื่อให้พลังงานอุปกรณ์บนแผ่นชิพ
(lab-on-a-chip) หรือบนแผ่นบัตร smart card
2. ลักษณะเหมือนตะแกรงร่อน (meshlike architecture)
อาจนำไปใช้ทดแทนแบตเตอรีในคอมพิวเตอร์พกพา หรือในรถยนต์
3. ลักษณะเป็นสายใย (fiberlike) อาจนำไปถักเป็นผ้า
เป็นแหล่งพลังงานที่สวมใส่ได้ในทางทหาร
หรือถักทอเป็นรูปร่างต่างๆที่ต้องการ
นอกจากนี้ นักวิจัยยังแสดงให้เห็นว่า
เป็นแบตเตอรี่ที่สามารถชาร์จประจุใหม่ได้ โดยสามารถทดลอง ไล่ประจุออก
และเก็บประจุเข้าแบตเตอรีนี้ซ้ำหลายๆครั้ง [3]
นี่เป็นตัวอย่าง การใช้ประโยชน์จากไวรัส ในการประกอบโครงสร้าง
อ้างอิง
[1] Logan Ward (November 2006) Viral Manufacturing: Building
Nanomachines With Viruses
http://www.popularmechanics.com/science/research/4212845.html?series=1
[2] Chris Ladd (Aug 28, 2008) Beyond Nano Breakthrough, MIT Team
Quietly Builds Virus-Based Batteries
http://www.popularmechanics.com/blogs/science_news/4279923.html
[3] Mark Durham (February 16, 2007) Reseachers Design
Self-Assembling Batteries. http://blog.wired.com/cars/2007/02
[4] Lori Valigra (May 2007) Self-Assembling Batteries Use
Short-Range Forces.
http://techon.nikkeibp.co.jp/article/HONSHI/20070425/131659/
[5]
http://www.green-planet-solar-energy.com/how-batteries-work.html
[6] Winny Dong (2000) How does a lithium battery work?
http://www.csupomona.edu/~winnydong/websites/personal/battery.html
[7] Battery http://en.wikipedia.org/wiki/Battery_(electricity)
ภาพ
[8] http://media.popularmechanics.com/images/belcher_virus_430_0808.jpg
[9] http://www.csupomona.edu/~winnydong/websites/personal/images/battery.gif
[10] http://techon.nikkeibp.co.jp/article/HONSHI/20070425/131659/report-fig1s.jpg
[11] M13 (above=SEM, below = TEM) http://www.mardre.com/homepage/mic/tem/samples/bio/virus/m13-1.jpg
[12] http://www.sciencemag.org/content/vol312/issue5775/images/small/312_885_F3.gif
[13]
http://blog.wired.com/cars/images/kevinbg.jpg
Further reading
Nam, K.T. et al (2006). Virus-Enabled
Synthesis and Assembly of Nanowires for Lithium Ion Battery
Electrodes. Science 12 May 2006: Vol. 312.
no. 5775, pp. 885 - 888.
