В фильме «Матрица» послушные, полусознательные люди (спойлеры) используются в качестве батарей для большой механической силы. Хотя этот принцип явно надуман, биобатареи реальны. В последнем выпуске Advanced Science News ученые из Университета штата Нью-Йорк-Бингемтон описывают новый способ использования бактерий в качестве батарей для небольших датчиков. Хотя биобатареи использовались для маломощной электроники, они никогда не были простыми или достаточно эффективными для широкого использования. Поэтому группа Binghamton разработала новый, более простой, способ создания и распределения микробных топливных элементов, известных как MFC, с использованием одного листа бумаги и лиофилизированных бактерий, которые можно активировать с помощью небольшого количества слюны.
Важной целью MFC, особенно на бумажной основе, является обеспечение возможности использования маломощной электроники, особенно датчиков, когда обычная батарея является излишней и требует больших затрат. Они не будут заряжать чьи-либо телефоны, но будут вырабатывать достаточно энергии для работы светодиодов или, более вероятно, диагностических датчиков, которые можно использовать для обнаружения ВИЧ или рака, мониторинга уровня глюкозы и многого другого.
«[МФЦ] могут использоваться в условиях ограниченных ресурсов, таких как развивающиеся страны», - говорит создатель Seokheun «Шон» Чой, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Binghamton. «Однако проблема в силе. Мы не можем использовать имеющиеся в продаже батареи или новейшие технологии сбора энергии, потому что они слишком расточительны и слишком дороги для одноразовых биодатчиков ».
Shewanella oneidensis, бактерии, используемые командой Чоя, часто используются в нанотехнологиях благодаря своей способности восстанавливать металлы и жить в среде с низким содержанием кислорода. Именно это сокращение, при котором положительные ионы отделяются от отрицательных, делает удлиненные двухмикронные ячейки полезными в биобатареях - в результате получают свободные заряженные частицы, которые можно использовать в качестве источника энергии.
Как и обычная батарея, биобатарея работает, отделяя положительно заряженную клемму (называемую катодом) от отрицательно заряженной клеммы (анода). Поскольку бактерия переваривает источник пищи (обычно глюкозу), ее дыхательные функции высвобождают электроны и протоны, которые могут использоваться в качестве энергии.
«Если мы спроектируем их среду так, чтобы кислород был ограничен, а затем мы создали твердый электрод, то мы можем захватить эти электроны», - говорит Чой.
Инновация Чоя связана со структурой бумажных МФЦ. Как, по его словам, вы можете сделать недорогую бумажную биобатарею, которая способна питать простые электронные датчики, но также проста в использовании и транспортировке? В его решении использовались некоторые новые методы, в первую очередь сублимационная сушка и складывание.
Структура батареи сформирована из листа хроматографической бумаги, разделенной на сетку складок. Одна секция, изготовленная из нитрата серебра и покрытая воском, образует катод. Другая секция проводящего полимера действует как анод, а третья содержит резервуар для бактерий и их источник энергии. Чой предварительно загружает резервуар бактериями и замораживает их. Таким образом, их можно перевозить или хранить до двух недель.
Для использования просто плюйте в резервуар и сложите его в центр катода и анода. Да плевать; все, что нужно бактериям, - это немного органического материала, а слюна содержит глюкозу. Это может быть что угодно, но слюна обычно доступна и менее нежелательна, чем некоторые альтернативы.
Работа Чоя является частью растущей и важной области бумажной электроники. (Университет Бингемтона) Аарон Маззео, доцент кафедры механического и аэрокосмического машиностроения в Rutgers, производит бумажную электронику для гибких человеко-машинных интерфейсов, таких как носимые бумажные устройства для контроля пота на кортизол, показатель стресса. Аккумулятор, такой как у Чоя, может быть источником энергии, который ему нужен.
«У нас будет постоянная проблема с подачей питания на эти устройства», - говорит Маззео. «Наличие электрической энергии позволяет вам проводить диагностику, но также может потенциально усиливать сигналы, поэтому вы сможете обнаружить меньшие количества. Это выход в будущем, но этот тип вещей может быть полезен не только для измерения кортизола, но, возможно, даже таких вещей, как холестерин или алкоголь или другие клинически значимые маркеры в крови, моче или поте ».
Работа Маццео и Чоя является частью растущей и важной области бумажной электроники. Ученые находят все больше и больше способов разместить на бумаге схемы, конденсаторы, батареи и даже солнечные элементы и пользовательские интерфейсы (как это делает группа Маззео). До работы Чоя батареи, которые работали во всех этих приложениях, были сложными делами, состоящими из нескольких листов бумаги, которые должны быть точно согласованы.
«Я думаю, что в этой области есть реальный потенциал для внесения вклада в постоянные усилия общества в области экологической стабильности, безопасности, коммуникации, здоровья и производительности», - говорит Маззео.
Но всегда есть необходимость питать эту электронику, поэтому Чой все еще хочет сделать свои батареи более мощными и эффективными, и для этого он исследует различные способы их складывания и укладки, а также инженерные бактерии, чтобы стать лучшими производителями энергии.
