Hvad er "Papertronics"? Hvorfor forskerne ser på papir som en batterikilde

Det lader til, at der hvert par måneder er der en ny mobiltelefon, bærbar computer eller tablet, der er så spændende mennesker, der står op ad blokken for at få fat i det. Mens den evige introduktion af nye, lidt mere avancerede elektronik har gjort virksomheder som Apple enormt succesfuld, er den korte holdbarhed af disse elektronik dårlig for miljøet.

Moderne elektronik er fyldt med kredsløb, hvor forskellige metaller og plast er loddet sammen. Nogle af disse materialer er giftige - eller nedbrydes til giftige stoffer. Der arbejdes på at øge genanvendelsen af ​​e-affald, genvinde materialer, der kan genbruges og bortskaffes korrekt. Men de fleste enheder sluttes til de voksende bunker af e-affald i lossepladser.

I stedet for at tilføje mere affald til disse stadig voksende bunker er der mulighed for at skabe elektronik, der er biologisk nedbrydelig. Derfor ser andre forskere og jeg ud til det fremvoksende felt af papirbaseret elektronik - kendt som "papertronics". De er fleksible - lige foldbare - bæredygtige, miljøvenlige og lave omkostninger.

Men for at være virkelig miljøvenlig, kan papirteknik ikke bruge traditionelle batterier, der er lavet af metaller og kaustinsyrer, til opbevaring og afladning af elektricitet. For nylig udviklede min kemikerkollega Omowunmi Sadik og jeg et papirbatteri, der er genbrugeligt og biologisk nedbrydeligt, såvel som pålideligt nok til faktisk at bruge. Nøglen er bakterier.

Fleksible bio-batterier

Jeg har udviklet fleksible batterier, batterier drevet af spyt og meget mere. Jeg regnede med, at når man søgte at drive papirbaseret elektronik, var det fornuftigt at forsøge at lave et batteri ud af papir. Heldigvis er papir et godt potentielt batterimateriale: Det er fleksibelt, en god isolator - hvilket gør det til en god platform til montering af elektroniske komponenter - og absorberer og frigiver fluider nemt. Vi tilsatte polymerer - poly (aminsyre) og poly (pyromellitisk dianhydrid-p-phenylendiamin) - for at forbedre disse elektriske egenskaber.

Derefter til at opbevare energi i batteriet, i stedet for metaller og syrer, der reagerer kemisk for at generere elektroner, tilføjede vi bakterier. Når disse batterier til sidst kommer i kommercialisering, vil de bruge bakterier, der er sikre for mennesker og miljø og godt indbygget til at reducere enhver anden forurening.

Da papiret er groft og porøst holder bakterierne sig til det og producerer deres egen energi ved at nedbryde næsten ethvert tilgængeligt organisk materiale, herunder plantemateriale eller spildevand. I øjeblikket er vi færdigpakning af kildemateriale, men det kan også komme fra miljøet. Denne kemiske reaktion producerer elektroner. Normalt i en bakteriel reaktion vil disse elektroner binde sig med ilt, men vi har bygget vores batteri for at begrænse ilt og erstatte en elektrode, hvilket betyder at vi kan fange elektronstrømmen og bruge den til strømforsyninger.

Vi var bekymrede for, at ilt kunne komme ind i papiret og afbryde elektronstrømmen mellem bakterierne, hvilket reducerer batteriets effektivitet. Vi fandt, at mens det sker, har det minimal effekt. Det skyldes, at så mange bakterieceller er så tæt knyttet til papirfibrene; de danner en flerlags biofilm, der beskytter den kemiske reaktion fra de fleste iltstoffer.

Vi ønskede også et batteri, der kunne bionedbryde. Bakterierne i selve batteriet, når de er færdige, frigiver energi, kan nedbryde papir og polymerer i harmløse komponenter. I vand, vores batteri let biologisk nedgraderet, uden nogen særlig udstyr eller andre mikroorganismer til at hjælpe i sammenbruddet.

Polymerpapirstrukturerne er lette, billige og fleksible. Denne fleksibilitet gør det også muligt for batterierne at folde som et normalt stykke papir eller stables oven på hinanden. Det gør det muligt for flere batterier at passe ind i mindre rum.

Løfter og muligheder

Papertronics kan være særlig nyttig i fjerntliggende områder med begrænsede ressourcer, fordi de er drevet af bakterier, som kan beboe selv de mest ekstreme betingelser og nedbryde næsten ethvert materiale til fremstilling af elektroner. De har heller ikke brug for et veletableret elnettet. Derudover er papirbatterier designet til at være engangsbrug, efter at de er brugt, deres materialer kan genbruges - og nye batterier kan fremstilles af genbrugspapir.

Som revolutionerende som papirbaserede bio-batterier er til fremtidige elektroniske enheder, er de ret nemme at lave. Polymererne og bakterierne kan blandes med papir i traditionelle fremstillingsprocesser, herunder roll-to-roll trykning og screen printing - eller endda males eller hældes ret på papir.

Andre materialer kan også føjes til papirbatterierne - som metaller, halvledere, isolatorer og nanopartikler. Disse og andre stoffer kan tilføje flere egenskaber og kapaciteter til papirbaserede enheder og åbne nye døre til den næste generation af elektronik.

Denne artikel blev oprindeligt udgivet på The Conversation af Seokheun Choi. Læs den oprindelige artikel her.