Čo sú "Papertronics"? Prečo výskumníci hľadajú papier ako zdroj batérie

Vyzerá to, že každých pár mesiacov je tu nový mobilný telefón, notebook alebo tablet, ktorý je tak vzrušujúci, že sa ľudia okolo seba postavia, aby sa dostali na svoje ruky. Kým večné zavádzanie novej, mierne vyspelejšej elektroniky urobilo z podnikov, ako je Apple, veľmi úspešné, krátka trvanlivosť týchto elektroník je zlá pre životné prostredie.

Moderná elektronika je naplnená doskami, na ktorých sú spájané rôzne kovy a plasty. Niektoré z týchto materiálov sú toxické alebo sa rozkladajú na toxické látky. V súčasnosti sa vynakladá úsilie na podporu recyklácie e-odpadu, získavanie materiálov, ktoré možno opätovne použiť, a na správnu likvidáciu zvyšku. Väčšina zariadení sa však pridáva k rastúcim hromadám elektronického odpadu na skládkach.

Namiesto toho, aby sa k týmto stále rastúcim hromadám pridávali ďalšie odpadky, existuje možnosť vytvoriť elektroniku, ktorá je biologicky odbúrateľná. To je dôvod, prečo sa ďalší výskumníci a ja pozeráme na novo vznikajúcu oblasť papierovej elektroniky, známej ako „papertronics“. Sú flexibilné - dokonca skladacie - udržateľné, šetrné k životnému prostrediu a lacné.

Aby sme boli skutočne ekologickí, spoločnosť papertronics nemôže používať tradičné batérie, ktoré sú vyrobené z kovov a žieravých kyselín, na skladovanie a vypúšťanie elektriny. Nedávno sme s kolegom z chemiky Omowunmi Sadikom vyvinuli recyklovateľnú a biologicky odbúrateľnú papierovú batériu, ktorá je dostatočne spoľahlivá na to, aby sme ju mohli skutočne používať. Kľúčom sú baktérie.

Flexibilné bio-batérie

Vyvinula som flexibilné batérie, batérie poháňané slinami a ďalšie. Prišiel som na to, že keď sa pokúšam o napájanie elektroniky založenej na papieri, dávalo to zmysel snažiť sa vyrobiť z papiera batériu. Papier je našťastie dobrým potenciálnym materiálom pre batérie: Je to flexibilný, dobrý izolátor, ktorý z neho robí dobrú platformu pre montáž elektronických komponentov - a absorbuje a uvoľňuje tekutiny ľahko. Pridali sme polyméry - kyselinu poly (amovú) a poly (pyromelitový dianhydrid-p-fenyléndiamín) - na zlepšenie týchto elektrických charakteristík.

Potom, aby sme uskladnili energiu v batérii, namiesto kovov a kyselín, ktoré reagujú chemicky na elektróny, sme pridali baktérie. Keď sú tieto batérie nakoniec komercializované, budú používať baktérie, ktoré sú bezpečné pre ľudí a životné prostredie, a ktoré sú dobre chránené, aby sa znížila akákoľvek iná kontaminácia.

Pretože papier je drsný a porézny, baktérie sa držia na ňom a vytvárajú si vlastnú energiu tým, že rozložia takmer akýkoľvek dostupný organický materiál, vrátane rastlinného materiálu alebo odpadovej vody. Momentálne sme predzásobenie zdrojovým materiálom, ale mohlo by to pochádzať aj zo životného prostredia. Táto chemická reakcia produkuje elektróny. Normálne pri bakteriálnej reakcii by sa tieto elektróny viazali s kyslíkom, ale postavili sme našu batériu na obmedzenie kyslíka a nahradenie elektródy, čo znamená, že môžeme zachytiť tok elektrónov a použiť ich na napájanie zariadení.

Obávali sme sa, že sa kyslík mohol dostať do papiera a prerušiť tok elektrónov medzi baktériami, čím sa znižuje účinnosť batérie. Zistili sme, že hoci sa tak stane, má minimálne účinky. To je preto, že toľko bakteriálnych buniek je tak tesne pripojených k papierovým vláknam; tvoria viacvrstvový biofilm, ktorý chráni chemickú reakciu pred väčšinou kyslíka.

Chceli sme tiež batériu, ktorá by mohla biodegradovať. Baktérie v samotnej batérii, akonáhle urobia uvoľňovanie energie, môžu rozložiť papier a polyméry na neškodné komponenty. Vo vode je naša batéria ľahko biologicky odbúrateľná, bez akéhokoľvek špeciálneho vybavenia alebo iných mikroorganizmov na pomoc pri poruche.

Polymér-papierové štruktúry sú ľahké, lacné a flexibilné. Táto flexibilita tiež umožňuje, aby sa batérie skladali ako normálny kus papiera, alebo sa ukladali na seba. Vďaka tomu sa viac energie batérie zmestí do menších priestorov.

Sľuby a príležitosti

Papertronics môže byť obzvlášť užitočný v odľahlých oblastiach s obmedzenými zdrojmi, pretože sú poháňané baktériami, ktoré dokážu obývať aj tie extrémne podmienky a rozbiť takmer akýkoľvek materiál na výrobu elektrónov. Ani nepotrebujú zavedenú elektrickú sieť. Okrem toho, aj keď sú papierové batérie určené na jednorazové použitie po ich použití, ich materiály sú recyklovateľné - a nové batérie je možné vytvoriť z recyklovaného papiera.

Ako revolučný ako bio-batérie na báze papiera sú pre budúce elektronické zariadenia, sú pomerne jednoduché. Polyméry a baktérie môžu byť zmiešané s papierom v tradičných výrobných procesoch, vrátane kotúčovej tlače a sieťotlače - alebo dokonca natreté alebo naliate priamo na papier.

Do papierových batérií môžu byť pridané aj iné materiály - napríklad kovy, polovodiče, izolátory a nanočastice. Tieto a ďalšie látky môžu pridávať viac vlastností a schopností do zariadení na báze papiera, čím sa otvárajú nové dvere pre ďalšiu generáciu elektroniky.

Tento článok bol pôvodne publikovaný na The Conversation od Seokheun Choi. Prečítajte si pôvodný článok.