Що таке "Papertronics"? Чому дослідники переглядають папір як джерело акумулятора

Схоже, що кожні кілька місяців з'являється новий стільниковий телефон, ноутбук або планшет, які настільки захоплюючі люди вишикуються навколо блоку, щоб отримати його на руки. Хоча вічне впровадження нової, трохи більш просунутої електроніки зробило бізнес, як Apple, надзвичайно успішним, короткий термін зберігання цих електроніки поганий для навколишнього середовища.

Сучасна електроніка заповнена платами, на яких спаяні різні метали і пластмаси. Деякі з цих матеріалів є токсичними - або розпадаються на токсичні речовини. Існують зусилля, спрямовані на активізацію утилізації електронних відходів, відновлення матеріалів, які можуть бути повторно використані, та належне утилізація інших. Але більшість пристроїв в кінцевому підсумку додаються до зростаючої кількості електронних відходів на полігонах.

Замість того, щоб додати більше сміття до цих постійно зростаючих паль, є можливість створити електроніку, яка є біорозкладаною. Саме тому ми з іншими дослідниками дивимося на нову галузь паперової електроніки - відомої як "папертроніка". Вони гнучкі - навіть складні - стійкі, дружні до навколишнього середовища і недорогі.

Але щоб бути по-справжньому екологічно чистими, папертроніка не може використовувати традиційні батареї, які виготовляються з металів і їдких кислот, для зберігання і розвантаження електроенергії. Нещодавно мій колега по хімії Omowunmi Sadik і я розробили паперовий акумулятор, який можна утилізувати і розкладати, а також достатньо надійний, щоб реально його використовувати. Ключем є бактерії.

Гнучкі біо-батареї

Я розробив гнучкі батареї, батареї живлення від слини і багато іншого. Я зрозумів, що, прагнучи зарядитися на паперовій електроніці, було сенс спробувати зробити батарею з паперу. На щастя, папір є хорошим потенційним матеріалом батареї: він гнучкий, хороший ізолятор - що робить його гарною платформою для монтажу електронних компонентів - і поглинає і звільняє рідини легко. Для поліпшення цих електричних характеристик додали полімери - полі (амінову) кислоту і полі (піромелітичний діангідрид-п-фенілендіамін).

Потім, щоб зберігати енергію в батареї, замість металів і кислот, які хімічно реагують на генерування електронів, ми додали бактерії. Коли ці батареї в кінцевому підсумку будуть комерціалізовані, вони будуть використовувати бактерії, безпечні для людини і навколишнього середовища, і добре містяться, щоб зменшити будь-яке інше забруднення.

Оскільки папір є грубим і пористим, бактерії дотримуються його і генерують власну енергію, розбиваючи майже будь-який доступний органічний матеріал, включаючи рослинний матеріал або стічні води. На даний момент ми розфасовуємо вихідний матеріал, але він також може походити з навколишнього середовища. Ця хімічна реакція виробляє електрони. Як правило, в бактеріальній реакції ці електрони зв'язуються з киснем, але ми побудували нашу батарею, щоб обмежити кисень і замінити електрод, тобто ми можемо захопити потік електронів і використовувати його для живлення пристроїв.

Ми були стурбовані тим, що кисень може потрапити в папір і перервати електронний потік між бактеріями, знижуючи ефективність батареї. Ми виявили, що в той час, коли це відбувається, він має мінімальні ефекти. Це тому, що так багато бактеріальних клітин настільки щільно прикріплені до паперових волокон; вони утворюють багатошарову біоплівку, яка захищає хімічну реакцію від більшості кисню.

Ми також хотіли батарею, яка може біологічно розкластися. Бактерії в самій батареї, як тільки вони випускають енергію, можуть розкласти папір і полімери на нешкідливі компоненти. У воді наша батарея легко біологічно розкладається, без спеціального обладнання або інших мікроорганізмів, які допомагають у розладі.

Полімерно-паперові структури легкі, недорогі і гнучкі. Така гнучкість також дозволяє батареї складати, як звичайний аркуш паперу, або бути складеними один на одного. Це дозволяє більше енергії батареї вписується в менші простори.

Обіцянки та можливості

Papertronics може бути особливо корисним у віддалених районах з обмеженими ресурсами, оскільки вони живляться бактеріями, які можуть жити навіть в самих екстремальних умовах і зруйнувати майже будь-який матеріал для виробництва електронів. Вони також не потребують усталеної електромережі. Крім того, незважаючи на те, що паперові батареї призначені для одноразового використання після їх використання, їх матеріали підлягають вторинній переробці - і нові батареї можуть бути створені з переробленого паперу.

Настільки ж революційними, як паперові біо-батареї для майбутніх електронних пристроїв, їх досить просто зробити. Полімери і бактерії можуть бути змішані з папером у традиційних виробничих процесах, включаючи друк на рулоні та трафаретний друк, або навіть бути пофарбованими або залитими на папері.

Інші матеріали також можуть бути додані до паперових батарей - таких як метали, напівпровідники, ізолятори та наночастинки. Ці та інші речовини можуть додавати більше властивостей і можливостей до пристроїв на паперовій основі, відкриваючи нові двері для електроніки наступного покоління.

Ця стаття була спочатку опублікована на The Conversation від Seokheun Choi. Читайте оригінальну статтю тут.