Što je "Papertronics"? Zašto istraživači gledaju na papir kao izvor baterije

Čini se da je svakih nekoliko mjeseci novi mobitel, prijenosno računalo ili tablet koji je toliko uzbudljiv da se rasporede oko bloka kako bi se dočepali. Dok je stalno uvođenje nove, nešto naprednije elektronike učinilo tvrtke poput Applea iznimno uspješnim, kratak rok trajanja ovih elektroničkih uređaja je loš za okoliš.

Suvremena elektronika je napunjena pločama na kojima su spojeni razni metali i plastika. Neki od tih materijala su toksični - ili se razgrađuju u otrovne tvari. U tijeku su napori za poticanje recikliranja e-otpada, oporabu materijala koji se mogu ponovno upotrijebiti i pravilno zbrinjavanje ostatka. No, većina uređaja završi dodavanjem rastućih gomila e-otpada na odlagalištima.

Umjesto dodavanja više smeća ovim sve većim hrpama, postoji mogućnost da se stvori elektronika koja je biorazgradiva. Zato i drugi istraživači i ja tražimo novo područje elektronike na papiru - poznatu kao "papertronika". Oni su fleksibilni - čak i preklopivi - održivi, ​​prijateljski nastrojeni prema okolišu i jeftiniji.

Ali, da bi bila doista ekološka, ​​papertronika ne može koristiti tradicionalne baterije, koje su načinjene od metala i kaustičnih kiselina, za pohranu i ispuštanje električne energije. Nedavno, moj kolega kemičar Omowunmi Sadik i ja razvili smo papirnatu bateriju koja se može reciklirati i biorazgradljiva, kao i dovoljno pouzdana za stvarno korištenje. Ključ je u bakterijama.

Fleksibilne bio-baterije

Razvio sam fleksibilne baterije, baterije napunjene slinom i još mnogo toga. Shvatio sam da je, kada se želi napajati elektroničkom opremom na papiru, imati smisla pokušati napraviti bateriju bez papira. Srećom, papir je dobar potencijalni materijal za bateriju: fleksibilan je, dobar izolator - što ga čini dobrom platformom za montažu elektroničkih komponenti - i lako upija i oslobađa tekućine. Dodani su polimeri - poli (amična) kiselina i poli (piromelitički dianhidrid-p-fenilendiamin) za poboljšanje tih električnih svojstava.

Zatim, za pohranu energije u bateriji, umjesto metala i kiselina koje kemijski reagiraju da bi generirale elektrone, dodali smo bakterije. Kada se te baterije naposljetku komercijaliziraju, koristit će se bakterije koje su sigurne za ljude i okoliš te dobro sadržane kako bi se smanjila svaka druga kontaminacija.

Budući da je papir hrapav i porozan, bakterije ga drže i stvaraju vlastitu energiju razbijanjem gotovo svih dostupnih organskih materijala, uključujući biljni materijal ili otpadne vode. U ovom trenutku pripremamo izvorni materijal, ali može doći i iz okoline. Ova kemijska reakcija proizvodi elektrone. Normalno u bakterijskoj reakciji, ti elektroni bi se vezali s kisikom, ali smo izgradili našu bateriju da ograničimo kisik i zamijenimo elektrodu, što znači da možemo uhvatiti tok elektrona i koristiti ga za napajanje uređaja.

Bili smo zabrinuti da kisik može ući u papir i prekinuti protok elektrona između bakterija, smanjujući učinkovitost baterije. Otkrili smo da, iako se to dogodi, ima minimalne učinke. To je zato što je toliko bakterijskih stanica tako čvrsto vezano za papirna vlakna; oni tvore višeslojni biofilm koji štiti kemijsku reakciju od većine kisika.

Također smo željeli bateriju koja bi se mogla razgraditi. Bakterije u samoj bateriji, nakon što otpuste energiju, mogu razbiti papir i polimere u bezopasne komponente. U vodi, naša baterija se lako razgrađuje, bez posebne opreme ili drugih mikroorganizama koji bi pomogli u razgradnji.

Strukture od polimernog papira su lagane, jeftine i fleksibilne. Ta fleksibilnost također omogućuje da se baterije preklapaju poput običnog papira ili da se slažu jedna iznad druge. To omogućuje veću snagu baterije u manje prostore.

Obećanja i mogućnosti

Papertronika može biti osobito korisna u udaljenim područjima s ograničenim resursima jer ih pokreću bakterije koje mogu nastanjivati ​​čak i najekstremnije uvjete i razbiti gotovo bilo koji materijal za proizvodnju elektrona. Ni njima nije potrebna dobro uspostavljena električna mreža. Osim toga, iako su papirnate baterije dizajnirane za jednokratnu uporabu nakon upotrebe, njihovi materijali se mogu reciklirati - a nove se baterije mogu izraditi iz recikliranog papira.

Isto tako revolucionarno kao što su bio-baterije na papiru namijenjene budućim elektroničkim uređajima, one su prilično jednostavne za izradu. Polimeri i bakterije mogu se miješati s papirom u tradicionalnim proizvodnim procesima, uključujući tisak na rolu i sitotisak - ili čak biti obojani ili izliveni na papir.

Papirnim baterijama mogu se dodati i drugi materijali - poput metala, poluvodiča, izolatora i nanočestica. Ove i druge tvari mogu dodati više svojstava i mogućnosti uređajima na papiru, otvarajući nova vrata za sljedeću generaciju elektronike.

Ovaj članak je izvorno objavljen na razgovoru Seokheun Choi. Pročitajte izvorni članak ovdje.