Czym są „Papertronics”? Dlaczego naukowcy patrzą na papier jako źródło baterii

Wygląda na to, że co kilka miesięcy pojawia się nowy telefon komórkowy, laptop lub tablet, który jest tak ekscytujący, że ludzie ustawiają się w szeregu, aby dostać się do niego. Podczas gdy nieustanne wprowadzanie nowej, nieco bardziej zaawansowanej elektroniki odniosło sukces w takich firmach jak Apple, krótki okres trwałości tych urządzeń elektronicznych jest szkodliwy dla środowiska.

Nowoczesna elektronika jest wypełniona płytkami drukowanymi, na których lutowane są różne metale i tworzywa sztuczne. Niektóre z tych materiałów są toksyczne - lub rozkładają się na substancje toksyczne. Podejmowane są wysiłki w celu zwiększenia recyklingu e-odpadów, odzyskiwania materiałów, które mogą być ponownie wykorzystane i odpowiedniego pozbycia się pozostałych. Jednak większość urządzeń dodaje się do rosnących stert e-odpadów na wysypiskach.

Zamiast dodawać więcej śmieci do tych ciągle rosnących stosów, istnieje możliwość stworzenia elektroniki ulegającej biodegradacji. Dlatego też inni badacze i ja szukamy rozwijającej się dziedziny elektroniki opartej na papierze - znanej jako „papertronics”. Są elastyczne - nawet składane - zrównoważone, przyjazne dla środowiska i tanie.

Ale aby być naprawdę przyjaznym dla środowiska, papertronics nie może używać tradycyjnych baterii, które są wykonane z metali i kwasów żrących, do przechowywania i rozładowywania elektryczności. Ostatnio mój kolega chemik Omowunmi Sadik i ja opracowaliśmy papierową baterię, która nadaje się do recyklingu i ulega biodegradacji, a także jest wystarczająco niezawodna, aby rzeczywiście z niej korzystać. Kluczem są bakterie.

Elastyczne bio-baterie

Opracowałem elastyczne baterie, baterie zasilane śliną i nie tylko. Doszedłem do wniosku, że starając się zasilać elektronikę opartą na papierze, warto spróbować zrobić baterię z papieru. Na szczęście papier jest dobrym materiałem na baterie: jest elastyczny, jest dobrym izolatorem - co czyni go dobrą platformą do montażu podzespołów elektronicznych - i łatwo pochłania i uwalnia płyny. Dodaliśmy polimery - kwas poli (amiczny) i poli (dibezwodnik piromelitowy-p-fenylenodiamina) - w celu poprawy tych właściwości elektrycznych.

Następnie, w celu przechowywania energii w baterii, zamiast metali i kwasów, które reagują chemicznie w celu wytworzenia elektronów, dodaliśmy bakterie. Kiedy te baterie zostaną ostatecznie skomercjalizowane, wykorzystają bakterie, które są bezpieczne dla ludzi i środowiska oraz dobrze zamknięte, aby zmniejszyć wszelkie inne zanieczyszczenia.

Ponieważ papier jest szorstki i porowaty, bakterie przywierają do niego i wytwarzają własną energię, rozkładając prawie każdy dostępny materiał organiczny, w tym materiał roślinny lub ścieki. W tej chwili jesteśmy materiałem źródłowym, ale może on również pochodzić ze środowiska. Ta reakcja chemiczna wytwarza elektrony. Zazwyczaj w reakcji bakteryjnej elektrony te wiązałyby się z tlenem, ale zbudowaliśmy naszą baterię w celu ograniczenia tlenu i zastąpienia elektrody, co oznacza, że ​​możemy przechwycić przepływ elektronów i wykorzystać go do zasilania urządzeń.

Obawialiśmy się, że tlen może dostać się do papieru i przerwać przepływ elektronów między bakteriami, zmniejszając wydajność baterii. Odkryliśmy, że chociaż tak się dzieje, ma minimalne efekty. To dlatego, że tak wiele komórek bakteryjnych jest tak ciasno przymocowanych do włókien papieru; tworzą wielowarstwowy biofilm, który chroni reakcję chemiczną przed większością tlenu.

Chcieliśmy także baterii, która może ulegać biodegradacji. Bakterie w samej baterii, gdy już skończy się uwalniać energię, mogą rozłożyć papier i polimery na nieszkodliwe składniki. W wodzie nasza bateria łatwo ulega biodegradacji, bez żadnego specjalnego sprzętu ani innych mikroorganizmów, które mogłyby pomóc w awarii.

Struktury z papieru polimerowego są lekkie, tanie i elastyczne. Ta elastyczność umożliwia również składanie baterii jak zwykły kawałek papieru lub układanie ich jeden na drugim. Dzięki temu większa moc baterii pasuje do mniejszych pomieszczeń.

Obietnice i możliwości

Papertronics może być szczególnie przydatny na odległych obszarach z ograniczonymi zasobami, ponieważ są zasilane przez bakterie, które mogą zamieszkiwać nawet najbardziej ekstremalne warunki i rozkładać prawie każdy materiał, aby wyprodukować elektrony. Nie potrzebują też dobrze rozwiniętej sieci energetycznej. Ponadto, chociaż baterie papierowe są zaprojektowane tak, aby były jednorazowego użytku po użyciu, ich materiały nadają się do recyklingu - a nowe baterie można tworzyć z papieru z recyklingu.

Tak samo rewolucyjne jak papierowe baterie biologiczne dla przyszłych urządzeń elektronicznych, są dość proste do wykonania. Polimery i bakterie można mieszać z papierem w tradycyjnych procesach produkcyjnych, w tym drukować metodą „roll-to-roll” i sitodrukiem - lub nawet malować lub wylewać bezpośrednio na papier.

Inne materiały mogą być również dodawane do baterii papierowych - takich jak metale, półprzewodniki, izolatory i nanocząstki. Te i inne substancje mogą dodawać więcej właściwości i możliwości do urządzeń papierowych, otwierając nowe drzwi dla nowej generacji elektroniki.

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation przez Seokheun Choi. Przeczytaj oryginalny artykuł tutaj.