Στην ταινία The Matrix, υπάκουοι, ημι-συνειδητοί άνθρωποι (σπόιλερ) χρησιμοποιούνται ως μπαταρίες για μια μεγάλη μηχανική δύναμη. Ενώ αυτή η αρχή είναι προφανώς υπερβολική, τα βιολογικά συστατικά είναι πραγματικά. Στο τελευταίο τεύχος του Advanced Science News, οι επιστήμονες του State University της Νέας Υόρκης-Binghamton περιγράφουν έναν νέο τρόπο χρήσης των βακτηριδίων ως μπαταρίες για μικρούς αισθητήρες. Ενώ οι βιο-καύσεις έχουν χρησιμοποιηθεί για ηλεκτρονικά χαμηλής ισχύος, δεν ήταν ποτέ απλές ή αποδοτικές για ευρεία χρήση. Έτσι, ο όμιλος Binghamton έχει αναπτύξει έναν νέο, ευκολότερο τρόπο δημιουργίας και διανομής μικροβιακών κυψελών καυσίμου, γνωστών ως MFC, χρησιμοποιώντας ένα μόνο φύλλο χαρτιού και λυοφιλιωμένα βακτηρίδια που μπορούν να ενεργοποιηθούν με λίγο σάλιο.
Ένας σημαντικός σκοπός των MFCs, ειδικά των χαρτιού, είναι να επιτρέπουν τη χρήση ηλεκτρονικών ειδών χαμηλής ισχύος, ιδιαίτερα αισθητήρων, όταν μια κανονική μπαταρία είναι τόσο υπερβολική όσο και δαπανηρή. Αυτά δεν θα χρεώνουν τα τηλέφωνα κάποιου, αλλά θα βγάζουν αρκετή ισχύ για να τρέξουν ένα LED, ή πιο πιθανό, διαγνωστικούς αισθητήρες που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση του HIV ή του καρκίνου, την παρακολούθηση της γλυκόζης και πολλά άλλα.
"[MFCs] μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε περιβάλλοντα περιορισμένων πόρων, όπως οι αναπτυσσόμενες χώρες", λέει ο δημιουργός Seokheun "Sean" Choi, βοηθός καθηγητής ηλεκτρολογίας και πληροφορικής στο Binghamton. "Ωστόσο, το πρόβλημα είναι η δύναμη. Δεν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε εμπορικά διαθέσιμες μπαταρίες ή πρόσφατες τεχνολογίες συγκομιδής ενέργειας, διότι είναι υπερβολικά σπάταλες και υπερβολικά δαπανηρές για ένα χρόνο χρήσης, βιοαισθητήρες μίας χρήσης ».
Το Shewanella oneidensis, τα βακτηρίδια που χρησιμοποιεί η ομάδα Choi, χρησιμοποιείται συχνά στη νανοτεχνολογία, λόγω της ικανότητάς του να μειώνει τα μέταλλα και να ζει σε περιβάλλον με χαμηλό οξυγόνο. Είναι αυτή η μείωση, στην οποία τα θετικά ιόντα διαχωρίζονται από τα αρνητικά, τα οποία καθιστούν τα επιμήκη, δύο μικρομετρικά κύτταρα χρήσιμα σε βιο-καύσεις - το αποτέλεσμα είναι ελεύθερα φορτισμένα σωματίδια που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ισχύς.
Όπως μια συνηθισμένη μπαταρία, ένα βιοβρατέρ λειτουργεί διαχωρίζοντας ένα θετικά φορτισμένο τερματικό (που ονομάζεται κάθοδος) από ένα αρνητικά φορτισμένο τερματικό (ανόδου). Καθώς τα βακτήρια χωνεύουν μια πηγή τροφής (συνήθως γλυκόζη), οι αναπνευστικές λειτουργίες της απελευθερώνουν ηλεκτρόνια και πρωτόνια, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ενέργεια.
"Αν σχεδιάσουμε το περιβάλλον τους έτσι ώστε το οξυγόνο να είναι περιορισμένο και στη συνέχεια να παρέχουμε ένα στερεό ηλεκτρόδιο, τότε μπορούμε να συλλάβουμε αυτά τα ηλεκτρόνια", λέει ο Choi.
Η καινοτομία της Choi έχει να κάνει με τη δομή χαρτιού MFCs. Πώς, ρώτησε, μπορείτε να φτιάξετε ένα φθηνό βιογραφικό χαρτί που να μπορεί να τροφοδοτεί απλούς ηλεκτρονικούς αισθητήρες, αλλά είναι επίσης εύκολο στη χρήση και τη μεταφορά; Η λύση του χρησιμοποίησε μερικές νέες τεχνικές, κυρίως την ξήρανση με πάγωμα και την αναδίπλωση.
Η δομή της μπαταρίας σχηματίζεται από ένα φύλλο χαρτιού χρωματογραφίας, χωρισμένο σε ένα πλέγμα πτυχών. Ένα τμήμα, κατασκευασμένο από νιτρικό άργυρο και καλυμμένο με κερί, αποτελεί την κάθοδο. Ένα άλλο τμήμα αγώγιμου πολυμερούς δρα ως άνοδος και ένα τρίτο περιέχει μια δεξαμενή για τα βακτήρια και την πηγή ενέργειας. Ο Choi προφορτίζει τη δεξαμενή με βακτήρια και τα καταψύγει. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούν να μεταφερθούν ή να αποθηκευτούν έως και δύο εβδομάδες.
Για να χρησιμοποιήσετε, απλώς φτύστε στη δεξαμενή και διπλώστε το στο κέντρο της καθόδου και της ανόδου. Ναι, σούβλα. το μόνο που χρειάζεται είναι λίγο οργανικό υλικό για να προχωρήσουν τα βακτήρια και το σάλιο περιέχει γλυκόζη. Θα μπορούσε να είναι οτιδήποτε, αλλά το σάλιο είναι γενικά διαθέσιμο και λιγότερο απαράδεκτο από κάποιες από τις εναλλακτικές λύσεις.
Το έργο της Choi είναι μέρος του αυξανόμενου και σημαντικού πεδίου της papertronics. (Πανεπιστήμιο Binghamton) Ο Aaron Mazzeo, βοηθός καθηγητής μηχανικής και αεροδιαστημικής μηχανικής στο Rutgers, κάνει papertronics για ευέλικτες διασυνδέσεις ανθρώπου-μηχανής-πράγματα όπως φορητές συσκευές χαρτιού για την παρακολούθηση του ιδρώτα για κορτιζόλη, δείκτη πίεσης. Μια μπαταρία όπως η Choi μπορεί να είναι η πηγή ενέργειας που χρειάζεται.
"Θα συνεχίσουμε να έχουμε τη συνεχιζόμενη πρόκληση να παρέχουμε ενέργεια σε αυτές τις συσκευές", λέει ο Mazzeo. "Η κατοχή της ηλεκτρικής ενέργειας σας επιτρέπει να κάνετε τη διάγνωση, αλλά θα μπορούσε επίσης να ενισχύσει τα σήματα, έτσι ώστε να μπορείτε να ανιχνεύσετε μικρότερες ποσότητες. Αυτή είναι η διέξοδος στο μέλλον, αλλά αυτός ο τύπος μπορεί να είναι χρήσιμος όχι μόνο για τη μέτρηση της κορτιζόλης, αλλά ίσως ακόμη και για τα επίπεδα χοληστερόλης ή αλκοόλ ή άλλων κλινικά σημαντικών δεικτών στο αίμα, τα ούρα ή τον ιδρώτα.
Το έργο του Mazzeo και του Choi είναι μέρος του αυξανόμενου και σημαντικού πεδίου της papertronics. Οι επιστήμονες βρίσκουν περισσότερους και καλύτερους τρόπους να τοποθετούν σε χαρτί κυκλώματα, πυκνωτές, μπαταρίες και ακόμη και ηλιακά κύτταρα και διεπαφές χρήστη (όπως η ομάδα του Mazzeo). Πριν από τη δουλειά του Choi, οι μπαταρίες που έχουν εκτελέσει όλες αυτές τις εφαρμογές ήταν περίπλοκες υποθέσεις αποτελούμενες από πολλαπλά φύλλα χαρτιού που πρέπει να ταιριάζουν με ακρίβεια.
"Νομίζω ότι υπάρχει πραγματική δυνατότητα για αυτόν τον τομέα να συμβάλει στις συνεχιζόμενες προσπάθειες της κοινωνίας για περιβαλλοντική σταθερότητα, ασφάλεια, επικοινωνία, υγεία και απόδοση», λέει ο Mazzeo.
Αλλά υπάρχει πάντα ανάγκη να τροφοδοτήσουμε αυτά τα ηλεκτρονικά, οπότε ο Choi εξακολουθεί να θέλει να κάνει τις μπαταρίες του πιο ισχυρές και αποδοτικές και για να το κάνει αυτό, διερευνά τα διαφορετικά μέσα αναδίπλωσης και τοποθέτησής τους, καθώς και μηχανικά βακτήρια για να είναι καλύτεροι παραγωγοί ενέργειας.
