Virus hilft Nano-Batterien bauen

Cambridge (USA) - Immer kleinere Dimensionen in der Elektronik brauchen immer kleinere und dennoch leistungsfähige Stromquellen. Doch je kleiner herkömmliche Batterien sind, desto ineffizienter werden sie auch, und die technische Lithographie zur Herstellung stößt an ihre Grenzen. Jetzt präsentieren US-Forscher eine Lösung aus der Biologie: eine bestechend simple Produktionsmethode für neue Batterien im Nanometermaßstab. Erstmals stempelten sie eine funktionsfähige Anode einfach auf leitende Oberflächen, kostengünstig und bei Raumtemperatur. Herzstück des Stempels waren Viren von nur 6,5 Nanometern, also millionstel Millimetern Größe. Ihre winzige Wirbelstruktur bildete den Kern winziger Elektroden, ein ganzes Feld davon die Anode der Batterie. Kombiniert mit einer Kathode, absolvierte die Konstruktion erfolgreich mehrere Lade- und Entladezyklen, berichten die Forscher im Fachblatt "Proceedings of the National Academy of Sciences". Als nächstes soll auch die Kathode mit der Virus-Stempel-Technik hergestellt werden. Bewährt sich die Methode, so winken vielfältige Einsatzfelder für kleinste Geräte mit niedrigem Strombedarf, von Medikamentendepots am oder im Körper bis zu Labor-auf-dem-Chip-Analysegeräten.

"Solche Mikrobatterie-Elektroden lassen sich leicht auf eine Vielfalt fester oder flexibler Substrate drucken, um Mikrobatterien mit stabiler, verlässlicher Leistung zu konstruieren", schreibt das Team um Ki Tae Nam, Paula T. Hammond und Angela M. Belcher vom Massachussetts Institute of Technology (MIT). Die Materialforscher, Chemie- und Bio-Ingenieure nutzten einen veränderten Virus namens M13. Seine rund einen Mikrometer lange Faser ordnet sich mit Vorliebe zu einem flachen Wirbel an. Dazu lässt sich seine Proteinhülle für technische Zwecke gezielt verändern: In diesem Fall waren der Oberfläche negativ geladene Aminosäuren hinzugefügt, so dass sie an einem Gerüst haften blieben. Obendrein wiesen die Viren jetzt eine Neigung zu Kobaltoxiden auf, welche in Lithiumbatterien als Anode dienen können.

Zunächst konstruierte das Team ein Gerüst aus Polydimethylsiloxan (PDMS), einem organischen Polymermolekül, ein Feld aus kleinen, fünf Mikrometer feinen Säulen wie die Noppen winziger Legosteine. Diese toppte es mit rund einem Dutzend abwechselnder Lagen zweier fester, positiv bzw. negativer Elektrolyten, Polyacrylsäure und Polyäthylenimin - bis jede Säule eine Haube von rund 150 Nanometer Dicke trug. Obenauf deponierten die Forscher den M13-Virus, in eine Kobaltoxidlösung getaucht. Das Versah die Virenwirbel mit einer großen Oberfläche, die elektrische Ladung speichern kann und diese oberste Lage auf jeder Säulenspitze zur Anode der Nanobatterie machte. Diese runden Batterien "druckten" Belcher und Kollegen als komplettes Feld auf eine ebene Platinelektrode. Die Elektrolytschichten lösten sich leicht von den PDMS-Säulen. Mehrere dieser Batteriefelder in Serie geschaltet und mit einer Kupfer-Kathode mit Lithiumdeckschicht versehen, bildeten das Batteriesystem der Forscher. In eine Lösung auf Lithiumbasis getaucht, durchlief es mehrere Lade- und Entladezyklen. Knapp ein Zentimeter Batteriefeldfläche speicherte dabei je nach Landungsbedingungen zwischen 375 und 460 Nanoamperestunden, schreiben die Forscher: "Wir haben gezeigt, dass sich traditionelle Mikrokontakt-Stempeldruck-Technologie und ein Verständnis der Kontaktflächen von Polymeren, Viren und anorganischen Materialien kombinieren lassen - um Mikrobatterie-Elektroden zu fabrizieren und zu positionieren". Als nächstes großes Ziel wollen sie erreichen, mit dieser Methode auch exakt passende Kathodenfelder zu drucken.