Какво е "Papertronics"? Защо изследователите гледат на хартия като източник на батерия

Струва ми се, че на всеки няколко месеца има нов мобилен телефон, лаптоп или таблет, който е толкова вълнуващ човек, че се обединява около блока, за да се докопа до него. Докато постоянното въвеждане на нова, малко по-съвременна електроника прави бизнеса като Apple изключително успешен, краткият срок на годност на тези електроника е вреден за околната среда.

Съвременната електроника е изпълнена с платки, върху които са споени различни метали и пластмаси. Някои от тези материали са токсични - или се разграждат в токсични вещества. В момента се полагат усилия за насърчаване на рециклирането на електронните отпадъци, за възстановяване на материали, които могат да бъдат използвани повторно и за правилно обезвреждане на останалите. Но повечето устройства в крайна сметка добавят към нарастващите купчини електронни отпадъци в депата.

Вместо да се добавят повече боклуци към тези постоянно растящи пилоти, има възможност да се създаде електроника, която е биоразградима. Ето защо други изследователи и аз търсим нововъзникващата област на електрониката на хартиен носител - известна като "папертроника". Те са гъвкави - дори сгъваеми - устойчиви, приятелски настроени към околната среда и евтини.

Но за да бъде наистина еко-приятелски, papertronics не може да използва традиционни батерии, които са направени от метали и разяждащи киселини, за да съхраняват и освобождават електричество. Неотдавна моят колега-химик Omowunmi Sadik и аз разработихме хартиена батерия, която може да бъде рециклирана и биоразградима, както и достатъчно надеждна, за да може действително да се използва. Ключът е бактериите.

Гъвкави био-батерии

Разработих гъвкави батерии, батерии, захранвани от слюнка и др. Реших, че когато се стремят да захранват хартиена електроника, има смисъл да се опита да направи батерия на хартия. За щастие, хартията е добър потенциал за батерията: Той е гъвкав, добър изолатор - което го прави добра платформа за монтиране на електронни компоненти - и абсорбира и освобождава течности лесно. Добавихме полимери - поли (аминова) киселина и поли (пиромелитен дианхидрид-р-фенилендиамин) - за подобряване на тези електрически характеристики.

След това, за да съхраняваме енергия в батерията, вместо металите и киселините, които реагират химически, за да генерират електрони, добавихме бактерии. Когато тези батерии са в крайна сметка комерсиализирани, те ще използват бактерии, които са безопасни за хората и околната среда и са добре съхранени, за да намалят всяко друго замърсяване.

Тъй като хартията е груба и пореста, бактериите се придържат към нея и генерират собствена енергия, като разрушават почти всички налични органични материали, включително растителен материал или отпадъчни води. В момента, ние сме предварително опаковки изходен материал, но той може да дойде и от околната среда. Тази химическа реакция произвежда електрони. Обикновено при една бактериална реакция тези електрони се свързват с кислород, но ние сме построили батерията си, за да ограничим кислорода и заместим електрод, което означава, че можем да уловим потока от електрони и да го използваме за захранване на устройства.

Бяхме загрижени, че кислородът може да попадне в хартията и да прекъсне електронния поток между бактериите, намалявайки ефективността на батерията. Открихме, че докато това се случи, то има минимални ефекти. Това е така, защото толкова много бактериални клетки са толкова плътно прикрепени към хартиените влакна; те образуват многослоен биофилм, който защитава химическата реакция от повечето кислород.

Искахме и батерия, която може да се разгради. Бактериите в самата батерия, след като освободят енергия, могат да разрушат хартията и полимерите в безвредни компоненти. Във водата батерията ни лесно се разгражда, без специално оборудване или други микроорганизми, които да помогнат при разграждането.

Полимерно-хартиените структури са леки, евтини и гъвкави. Тази гъвкавост позволява на батериите да се сгъват като нормален лист хартия или да се подреждат един върху друг. Това дава възможност за по-голяма мощност на батерията в по-малки пространства.

Обещания и възможности

Papertronics може да бъде особено полезна в отдалечени райони с ограничени ресурси, защото те се захранват от бактерии, които могат да обитават дори най-екстремните условия и разрушават почти всеки материал, за да произвеждат електрони. Те също не се нуждаят от добре изградена електрическа мрежа. Освен това, въпреки че хартиените батерии са предназначени за еднократна употреба, след като се използват, техните материали могат да се рециклират - и нови батерии могат да бъдат създадени от рециклирана хартия.

Колкото и революционни, тъй като био-батериите на хартиен носител са за бъдещи електронни устройства, те са доста ясни. Полимерите и бактериите могат да се смесват с хартия в традиционните производствени процеси, включително при печатане на рол-рол и ситопечат, или дори да се боядисват или изливат върху хартия.

Към хартиените батерии могат да се добавят и други материали - като метали, полупроводници, изолатори и наночастици. Тези и други вещества могат да добавят повече свойства и възможности към устройства, базирани на хартия, като отварят нови врати за следващото поколение електроника.

Тази статия първоначално е публикувана на The Conversation by Seokheun Choi. Прочетете оригиналната статия тук.