Mi a "Papertronics"? Miért néznek a kutatók a papírra, mint az akkumulátorforrás

Úgy tűnik, minden egyes hónapban van egy új mobiltelefon, laptop vagy tabletta, amely annyira izgalmas emberek, akik a blokk körül sorakoznak, hogy a kezükbe kerüljenek. Míg az új, kissé fejlettebb elektronika állandó bevezetése rendkívül sikeresvé tette az olyan vállalkozásokat, mint az Apple, ezeknek az elektronikáknak a rövid élettartama rossz a környezetre.

A modern elektronika tele van áramköri lapokkal, amelyeken különböző fémek és műanyagok forrasztásra kerülnek. Ezen anyagok némelyike ​​mérgező vagy mérgező anyagokra bomlik. Folyamatban van az e-hulladék újrahasznosításának fokozása, az újrafelhasználható anyagok visszanyerése és a maradék megfelelő ártalmatlanítása. A legtöbb eszköz azonban hozzáadódik a hulladéklerakók növekvő halmához.

Ahelyett, hogy több szemetet adna ezekhez az egyre növekvő cölöpökhöz, lehetőség nyílik a biológiailag lebontható elektronika létrehozására. Éppen ezért más kutatók és én a papíralapú elektronika feltörekvő területére törekszünk - a „papertronics” néven. Ezek rugalmasak - még összecsukhatóak is - fenntarthatóak, környezetbarátak és olcsóak.

Ahhoz, hogy valóban környezetbarát legyen, a papertronics nem használhat hagyományos, fémből és maró savból készült elemeket az elektromos áram tárolására és kisütésére. A közelmúltban Omowunmi Sadik vegyész kollégám és én újrahasznosítható és biológiailag lebontható papír akkumulátort fejlesztettünk ki, valamint elég megbízhatónak bizonyult ahhoz, hogy ténylegesen használhassuk. A kulcs a baktériumok.

Rugalmas Bio-akkumulátorok

A rugalmas elemeket, a nyálból táplált elemeket és egyéb elemeket fejlesztettem ki. Úgy gondoltam, hogy a papíralapú elektronika erőfeszítésekor érdemes megpróbálni lemerülni a papírból. Szerencsére a papír jó potenciális akkumulátortermék: rugalmas, jó szigetelő - ami jó platformot biztosít az elektronikus alkatrészek szerelésére - és könnyen felszívja és kibocsátja a folyadékokat. Polimert - poli (amic) savat és poli (piromellit-dianhidrid-p-fenilén-diaminot) adtunk hozzá az elektromos jellemzők javításához.

Ezután, hogy az akkumulátort energiában tároljuk, az elektronokat kémiailag reagáló fémek és savak helyett baktériumokat adtunk. Ha ezeket az elemeket végül forgalmazzák, akkor olyan baktériumokat használnak, amelyek biztonságosak az emberekre és a környezetre, és jól el vannak zárva, hogy csökkentse az egyéb szennyeződéseket.

Mivel a papír durva és porózus, a baktériumok ragaszkodnak hozzá, és saját energiájukat szinte minden rendelkezésre álló szerves anyag, beleértve a növényi anyagot vagy a szennyvizet, lebontásával hozzák létre. Jelenleg az alapanyagokat előre csomagoljuk, de a környezetből is származhat. Ez a kémiai reakció elektronokat termel. Általában bakteriális reakcióban ezek az elektronok oxigénnel kötődnek, de az akkumulátort az oxigén korlátozására és az elektród helyettesítésére építettük, ami azt jelenti, hogy az elektronáramot rögzíthetjük és az eszközöket használhatjuk.

Aggódtunk, hogy az oxigén bejuthat a papírba, és megszakíthatja az elektron áramlását a baktériumok között, csökkentve az akkumulátor hatékonyságát. Azt találtuk, hogy bár ez megtörténik, minimális hatással van rá. Ez azért van, mert annyi baktériumsejt van annyira szorosan kötve a papírszálakhoz; több rétegű biofilmet alkotnak, amely a legtöbb oxigéntől védi a kémiai reakciót.

Azt is akartuk, hogy az akkumulátor biológiailag lebomlik. Az akkumulátorban lévő baktériumok, miután elvégezték az energia felszabadítását, képesek ártalmatlan alkotórészekre bontani a papírt és a polimert. A vízben, az akkumulátorunk könnyen biológiailag lebomlik, speciális felszerelés vagy egyéb mikroorganizmus nélkül, hogy segítsen a bontásban.

A polimer papír szerkezetek könnyűek, olcsóak és rugalmasak. Ez a rugalmasság azt is lehetővé teszi, hogy az elemek egy normál papírlapra hajoljanak, vagy egymásra helyezhetők. Ez lehetővé teszi, hogy a kisebb helyiségekben több akkumulátor töltődjön be.

Ígéretek és lehetőségek

A Papertronics különösen hasznos lehet olyan korlátozott erőforrásokkal rendelkező távoli területeken, mert olyan baktériumok táplálják őket, amelyek még a legszélsőségesebb körülmények között is élhetnek, és szinte bármilyen anyagot bontanak le az elektronok előállításához. Szükségük van egy jól megalapozott villamosenergia-hálózatra sem. Ezen túlmenően, bár a papírelemek használat után lettek eldobhatók, az anyagok újrahasznosíthatóak - és új akkumulátorok hozhatók létre újrahasznosított papírból.

Ugyanolyan forradalmi, mint a papíralapú bioelemek a jövőbeni elektronikus eszközökhöz, meglehetősen egyszerűek. A polimerek és a baktériumok a hagyományos gyártási folyamatokban papírral keverhetők, beleértve a roll-to-roll nyomtatást és a szitanyomtatást - vagy akár festékkel, akár közvetlenül a papírra öntik.

Más anyagok is hozzáadhatók a papírelemekhez - mint például a fémek, félvezetők, szigetelők és nanorészecskék. Ezek és más anyagok több tulajdonságot és képességet adhatnak a papíralapú eszközökhöz, új ajtókat nyitva a következő generációs elektronika számára.

Ezt a cikket eredetileg a Seokheun Choi The Conversation című kiadványában tették közzé. Olvassa el az eredeti cikket itt.