Kas yra „Papertronics“? Kodėl mokslininkai ieško popieriaus kaip baterijos šaltinio

Atrodo, kad kas kelis mėnesius atsiranda naujas mobilusis telefonas, nešiojamas kompiuteris ar planšetinis kompiuteris, kuris yra toks įdomus, kad aplink jį užsidarytų. Nors nuolatinis naujų, šiek tiek pažengusių elektronikos diegimas paverčia tokias įmones kaip „Apple“ labai sėkmingas, trumpas šių elektronikos laikymo laikas yra blogas aplinkai.

Šiuolaikinė elektronika yra pripildyta grandinių plokštėmis, kuriose kartu sujungiami įvairūs metalai ir plastikai. Kai kurios iš šių medžiagų yra toksiškos arba suskaidomos į toksiškas medžiagas. Yra dedamos pastangos e. Atliekų perdirbimui didinti, medžiagų, kurios gali būti pakartotinai panaudojamos ir tinkamai pašalintos, utilizavimui. Tačiau dauguma įrenginių prideda prie augančių e-atliekų polių sąvartynuose.

Vietoj to, kad šiose vis augančiose kasyklose būtų daugiau šiukšlių, yra galimybė sukurti biologiškai skaidomą elektroniką. Štai kodėl kiti mokslininkai ir aš žiūriu į atsirandančią popieriaus elektronikos sritį, vadinamą „papertronics“. Jie yra lankstūs - netgi sulankstomi - tvarūs, draugiški aplinkai ir pigūs.

Tačiau norint, kad „papertronics“ būtų ekologiški, elektros energijai laikyti ir iškrauti negalima naudoti tradicinių metalų ir šarminių rūgščių baterijų. Neseniai mano chemikų kolega Omowunmi Sadik ir aš sukūrėme popierių, kuris yra perdirbamas ir biologiškai skaidomas, taip pat pakankamai patikimas, kad iš tikrųjų galėtų jį naudoti. Raktas yra bakterijos.

Lanksčios „Bio-Battery“ baterijos

Sukūriau lanksčias baterijas, baterijas, maitinančias seilę ir dar daugiau. Supratau, kad stengdamiesi maitinti popierinę elektroniką, prasminga pabandyti išimti bateriją iš popieriaus. Laimei, popierius yra geras potencialus akumuliatoriaus medžiaga: jis yra lankstus, geras izoliatorius, todėl jis yra puiki platforma elektroniniams komponentams montuoti ir lengvai absorbuoja ir išleidžia skysčius. Pridėjome polimerų - poli (amino) rūgšties ir poli (piromelito dianhidrido-p-fenilendiamino) - siekiant pagerinti šias elektrines charakteristikas.

Tada, norėdami saugoti energiją akumuliatoriuje, vietoje metalų ir rūgščių, kurios chemiškai reaguoja į elektronus, pridėjome bakterijų. Kai šios baterijos galiausiai bus parduodamos, jos naudoja bakterijas, kurios yra saugios žmonėms ir aplinkai, ir gerai apsaugotos nuo bet kokio kito užteršimo.

Kadangi popierius yra šiurkštus ir akytas, bakterijos laikosi jos ir sukuria savo energiją, suskaidydamos beveik bet kokią turimą organinę medžiagą, įskaitant augalinę medžiagą ar nuotekas. Šiuo metu mes iš anksto fasuojame pradinę medžiagą, tačiau ji taip pat gali būti gaunama iš aplinkos. Ši cheminė reakcija sukuria elektronus. Paprastai bakterinės reakcijos metu šie elektronai susieti su deguonimi, bet mes sukūrėme bateriją, kad apribotume deguonį ir pakeistume elektrodą, o tai reiškia, kad galime užfiksuoti elektronų srautą ir naudoti jį maitinti prietaisus.

Mums teko susirūpinti, kad į popierių pateks deguonis, o elektronų srautas tarp bakterijų bus nutrauktas, mažinant baterijos efektyvumą. Mes nustatėme, kad nors tai įvyksta, jis turi minimalų poveikį. Taip yra todėl, kad tiek daug bakterijų ląstelių yra taip tvirtai pritvirtintos prie popieriaus pluoštų; jie sudaro daugiasluoksnę bioplėvelę, kuri apsaugo cheminę reakciją nuo daugumos deguonies.

Taip pat norėjome akumuliatoriaus, kuris galėtų biologiškai suskaidyti. Bakterijos, esančios pačioje baterijoje, atleidus energiją, gali suskaidyti popierių ir polimerus į nekenksmingus komponentus. Vandenyje mūsų akumuliatorius lengvai biologiškai suskaidomas, be jokios specialios įrangos ar kitų mikroorganizmų, kad padėtų suskirstyti.

Polimero popieriaus konstrukcijos yra lengvos, nebrangios ir lanksčios. Šis lankstumas taip pat leidžia akumuliatoriams sulenkti kaip įprastas popieriaus gabalas arba sukrauti vienas ant kito. Tai leidžia daugiau akumuliatoriaus maitinimo į mažesnes erdves.

Pažadai ir galimybės

„Papertronics“ gali būti ypač naudinga atokiose vietovėse, kuriose yra riboti ištekliai, nes jie yra maitinami bakterijomis, kurios gali gyventi net ir kraštutiniausiomis sąlygomis, ir suskaidyti beveik bet kokią medžiagą, kad būtų sukurta elektronų. Jiems taip pat nereikia nusistovėjusio elektros tinklo. Be to, nors popieriaus baterijos yra skirtos naudoti po to, kai jos naudojamos, jų medžiagos yra perdirbamos - ir naujos baterijos gali būti sukurtos iš perdirbto popieriaus.

Kaip revoliucinis popieriaus biopatijos yra skirtas būsimiems elektroniniams prietaisams, jie yra gana paprasti. Polimerai ir bakterijos gali būti sumaišyti su popieriumi tradiciniuose gamybos procesuose, įskaitant spausdinimą ant ritinėlių ir ekrano spausdinimą, arba netgi tapyti arba pilti tiesiai ant popieriaus.

Prie popieriaus baterijų taip pat galima pridėti kitas medžiagas - metalus, puslaidininkius, izoliatorius ir nanodaleles. Šios ir kitos medžiagos gali pridėti daugiau savybių ir galimybių popieriniams prietaisams, atveriant naujas duris naujos kartos elektronikai.

Šis straipsnis iš pradžių buvo paskelbtas Seokheun Choi pokalbyje. Skaitykite originalų straipsnį čia.