Что такое "Papertronics"? Почему исследователи смотрят на бумагу как на источник питания

Кажется, что каждые несколько месяцев появляется новый сотовый телефон, ноутбук или планшет, который так увлекательно собирает людей вокруг блока, чтобы заполучить его. В то время как постоянное внедрение новой, немного более совершенной электроники сделало такие компании, как Apple, чрезвычайно успешными, короткий срок хранения этой электроники вреден для окружающей среды.

Современная электроника заполнена печатными платами, на которых припаяны различные металлы и пластмассы. Некоторые из этих материалов токсичны или распадаются на токсичные вещества. В настоящее время предпринимаются усилия по ускорению переработки электронных отходов, рекуперации материалов, которые могут быть использованы повторно, и правильной утилизации остальных. Но большинство устройств в конечном итоге добавляют к растущим грудам электронных отходов на свалках.

Вместо того, чтобы добавлять больше мусора в эти постоянно растущие сваи, есть возможность создавать электронику, которая является биоразлагаемой. Вот почему другие исследователи и я обращаем внимание на появляющуюся область бумажной электроники, известную как «papertronics». Они гибкие - даже складные - устойчивые, безопасные для окружающей среды и недорогие.

Но чтобы быть по-настоящему экологичным, papertronics не может использовать традиционные батареи, которые сделаны из металлов и едких кислот, для хранения и разрядки электроэнергии. Недавно мы с моим коллегой-химиком Омовунми Садиком разработали бумажную батарею, которая пригодна для вторичной переработки и биоразложения, а также достаточно надежна для фактического использования. Ключ бактерии.

Гибкие био-батареи

Я разработал гибкие аккумуляторы, аккумуляторы от слюны и многое другое. Я подумал, что, пытаясь запитать электронику на основе бумаги, имеет смысл попытаться сделать батарею из бумаги. К счастью, бумага является хорошим потенциальным материалом батареи: она гибкая, хороший изолятор, что делает ее хорошей платформой для установки электронных компонентов, а также легко впитывает и выпускает жидкости. Мы добавили полимеры - поли (аминовая) кислота и поли (пиромеллитовый диангидрид-п-фенилендиамин) - чтобы улучшить эти электрические характеристики.

Затем, чтобы сохранить энергию в батарее, вместо металлов и кислот, которые химически реагируют с образованием электронов, мы добавили бактерии. Когда эти батареи будут в конечном итоге коммерциализированы, они будут использовать бактерии, которые безопасны для человека и окружающей среды и хорошо защищены от загрязнений.

Поскольку бумага является шероховатой и пористой, бактерии прилипают к ней и генерируют свою собственную энергию, разрушая практически любой доступный органический материал, включая растительный материал или сточные воды. На данный момент мы готовим исходный материал, но он также может быть получен из окружающей среды. Эта химическая реакция производит электроны. Обычно в бактериальной реакции эти электроны связываются с кислородом, но мы создали нашу батарею, чтобы ограничить кислород и заменить электрод, то есть мы можем захватить поток электронов и использовать его для питания устройств.

Мы были обеспокоены тем, что кислород может попасть в бумагу и прервать поток электронов между бактериями, что приведет к снижению эффективности батареи. Мы обнаружили, что хотя это происходит, оно имеет минимальные последствия. Это потому, что так много бактериальных клеток так плотно прикреплены к бумажным волокнам; они образуют многослойную биопленку, которая защищает химическую реакцию от большинства кислорода.

Мы также хотели батарею, которая может разлагаться. Бактерии в самой батарее после высвобождения энергии могут расщеплять бумагу и полимеры на безвредные компоненты. В воде наша батарея легко разлагается, без какого-либо специального оборудования или других микроорганизмов, способных помочь в поломке.

Конструкции из полимерной бумаги легки, дешевы и гибки. Эта гибкость также позволяет батареям складываться как обычный лист бумаги или укладываться друг на друга. Это позволяет увеличить емкость аккумулятора в меньших пространствах.

Обещания и возможности

Papertronics может быть особенно полезна в отдаленных районах с ограниченными ресурсами, потому что они питаются бактериями, которые могут обитать даже в самых экстремальных условиях и разрушают практически любой материал с образованием электронов. Им также не нужна хорошо налаженная электрическая сеть. Кроме того, хотя бумажные батареи предназначены для одноразового использования после их использования, их материалы подлежат вторичной переработке - и новые батареи могут быть созданы из переработанной бумаги.

Столь же революционные, как бумажные био-батареи для будущих электронных устройств, они довольно просты в изготовлении. Полимеры и бактерии можно смешивать с бумагой в традиционных производственных процессах, включая рулонную печать и трафаретную печать, или даже наносить их непосредственно на бумагу.

К бумажным батареям могут быть добавлены и другие материалы - например, металлы, полупроводники, изоляторы и наночастицы. Эти и другие вещества могут добавить больше свойств и возможностей устройствам на бумажной основе, открывая новые двери для электроники следующего поколения.

Эта статья была первоначально опубликована в «Беседе» Seokheun Choi. Прочитайте оригинальную статью здесь.