Co jsou "Papertronics"? Proč se výzkumníci dívají na papír jako zdroj baterie

Vypadá to, že každých pár měsíců je nový mobilní telefon, notebook nebo tablet, který je tak vzrušující, že se lidé kolem bloku srovnávají. Zatímco neustálé zavádění nové, o něco vyspělejší elektroniky učinilo podniky jako Apple velmi úspěšné, krátká trvanlivost těchto elektronů je špatná pro životní prostředí.

Moderní elektronika je naplněna obvodovými deskami, na kterých jsou spojeny různé kovy a plasty. Některé z těchto materiálů jsou toxické nebo se rozkládají na toxické látky. Probíhají snahy o podporu recyklace elektronického odpadu, využití materiálů, které mohou být znovu použity, a řádné odstranění zbytků. Většina zařízení však končí přidáváním hromadných odpadů na skládky.

Namísto přidávání dalších odpadků do těchto stále rostoucích hromádek existuje možnost vytvořit elektroniku, která je biologicky odbouratelná. To je důvod, proč se další výzkumníci a já díváme na vznikající oblast papírové elektroniky - známé jako „papertronics“. Jsou flexibilní - dokonce skládací - udržitelné, šetrné k životnímu prostředí a levné.

Abychom byli skutečně šetrní k životnímu prostředí, společnost papertronics nemůže používat tradiční baterie, které jsou vyrobeny z kovů a žíravých kyselin, k ukládání a vybíjení elektřiny. Nedávno jsem s kolegou z chemiky Omowunmi Sadikem vyvinuli recyklovatelnou a biologicky rozložitelnou papírovou baterii, která je dostatečně spolehlivá na to, aby mohla být skutečně použita. Klíčem jsou bakterie.

Flexibilní bio-baterie

Vyvinula jsem flexibilní baterie, baterie poháněné slinami a další. Myslel jsem, že když se snažíme pohánět elektroniku založenou na papíru, má smysl pokusit se vyrobit baterii z papíru. Papír je naštěstí dobrým potenciálním materiálem pro akumulátory: Je to pružný, dobrý izolátor, který z něj činí dobrou platformu pro montáž elektronických součástí - a snadno absorbuje a uvolňuje tekutiny. Přidali jsme polymery - poly (amic) kyselinu a poly (pyromellitic dianhydride-p-fenylendiamin) - ke zlepšení těchto elektrických charakteristik.

Pak jsme přidali bakterie, abychom ušetřili energii v baterii namísto kovů a kyselin, které reagují chemicky na elektrony. Když jsou tyto baterie nakonec komercializovány, použijí bakterie, které jsou bezpečné pro člověka a životní prostředí, a které jsou vhodné pro snížení jakékoli jiné kontaminace.

Vzhledem k tomu, že papír je drsný a porézní, bakterie se k němu drží a vytvářejí vlastní energii tím, že rozkládají téměř jakýkoli dostupný organický materiál, včetně rostlinného materiálu nebo odpadní vody. V současné době jsme předzásobení zdrojovým materiálem, ale mohlo by to také pocházet z prostředí. Tato chemická reakce produkuje elektrony. Normálně v bakteriální reakci, tyto elektrony by se spojily s kyslíkem, ale my jsme postavili naši baterii omezit kyslík a nahradit elektrodu, což znamená, že můžeme zachytit elektronový tok a použít jej k napájení zařízení.

Obávali jsme se, že se kyslík mohl dostat do papíru a přerušit tok elektronů mezi bakteriemi, což snižuje účinnost baterie. Zjistili jsme, že i když se to stane, má minimální účinky. Je to proto, že tolik bakteriálních buněk je tak pevně připojeno k papírovým vláknům; tvoří vícevrstvý biofilm, který chrání chemickou reakci před většinou kyslíku.

Chtěli jsme také baterii, která by mohla biodegradovat. Bakterie v samotné baterii, jakmile se uvolní energie, mohou rozdělit papír a polymery na neškodné komponenty. Ve vodě je naše baterie snadno biologicky odbouratelná, bez jakéhokoliv speciálního vybavení nebo jiných mikroorganismů, které by pomohly při poruše.

Polymer-papírové struktury jsou lehké, levné a flexibilní. Tato flexibilita také umožňuje, aby se baterie skládaly jako běžný papír, nebo se skládaly na sebe. To umožňuje, aby se více energie baterie dostalo do menších prostor.

Sliby a příležitosti

Papertronics může být obzvláště užitečný v odlehlých oblastech s omezenými zdroji, protože je poháněn bakteriemi, které mohou obývat i ty nejnáročnější podmínky a rozdělují téměř jakýkoli materiál, který produkuje elektrony. Nepotřebují ani zavedenou elektrickou síť. Ačkoliv jsou papírové baterie po použití určeny k jednorázovému použití, jsou jejich materiály recyklovatelné a z recyklovaného papíru lze vytvořit nové baterie.

Revoluční biobaterie na bázi papíru jsou pro budoucí elektronická zařízení poměrně jednoduché. Polymery a bakterie mohou být smíchány s papírem v tradičních výrobních procesech, včetně potisku rolí a sítotisku - nebo dokonce natřeny nebo nality přímo na papír.

Další materiály mohou být také přidány do papírových baterií - jako jsou kovy, polovodiče, izolátory a nanočástice. Tyto a další látky mohou přidávat další vlastnosti a možnosti pro papírová zařízení, otevírající nové dveře pro další generaci elektroniky.

Tento článek byl původně publikován na Konverzaci Seokheun Choi. Přečtěte si originální článek zde.