W odległych i niedostępnych regionach świata lub na terenach o ograniczonych zasobach, elektroniczne przedmioty codziennego użytku są luksusem. I nie przydają się na wiele po wyczerpaniu baterii. Problem braku elektryczności dotyczy przede wszystkim pracowników służb zdrowia na tych obszarach, którzy często nie mają prądu do zasilania urządzeń diagnostycznych, a akumulatory komercyjne są niedostępne lub zbyt drogie.

Potrzebne są nowe, tanie i przenośne źródła energii. Papierowa bateria zasilana przez bakterie doskonale wpisuje się w zapotrzebowania najbiedniejszych rejonów świata i może sprostać stawianym przed nią wyzwaniom.

– Papier ma wyjątkowe zalety jako materiał do biosensorów. Jest niedrogi, jednorazowy, elastyczny i ma dużą powierzchnię. Wyrafinowane czujniki wymagają jednak zasilania. Akumulatory komercyjne są zbyt drogie i nieekologiczne. Do tego nie można ich zintegrować z podłożami papierowymi. Najlepszym rozwiązaniem jest papierowa bio-bateria – powiedział podczas 256. spotkania Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego (ACS) dr Seokheun Choi z Uniwersytetu w Nowym Jorku.

Badacze już wcześniej opracowali jednorazowe bioczujniki na bazie papieru do taniej i wygodnej diagnostyki chorób, a także do wykrywania zanieczyszczeń w środowisku. Wiele takich urządzeń polega na zmianach kolorów w celu zgłaszania wyniku, ale często nie są one zbyt czułe. Aby zwiększyć czułość, biosensory potrzebują zasilania. Choi chciał opracować niedrogi papierowy akumulator zasilany bakteriami, który można łatwo podłączyć do tych jednorazowych urządzeń.

Choi wraz z kolegami z uczelni wykonał papierową baterię drukując cienkie warstwy metali i innych materiałów na powierzchni papieru. Następnie umieścili na papierze liofilizowany, szczególny rodzaj bakterii, które mogą przenosić elektrony poza ich komórki. To tzw. egzoelektrogeny. Elektrony, które powstają, gdy bakterie same wytwarzają energię, przechodzą przez błonę komórkową. Następnie mogą nawiązać kontakt z elektrodami zewnętrznymi i zasilić baterię.

By aktywować tak przygotowaną baterię wystarczy odrobina wody lub nawet śliny. W ciągu kilku minut ciecz ożywia bakterie, które wytwarzają wystarczającą ilość elektronów do zasilania diody emitującej światło czy kalkulatora.

Naukowcy zbadali również, w jaki sposób tlen wpływa na działanie ich urządzeń. Tlen, który łatwo przechodzi przez papier, może wchłonąć elektrony wytwarzane przez bakterie, zanim dotrą one do elektrody. Zespół odkrył, że chociaż tlen nieznacznie obniżył wytwarzanie energii, efekt był minimalny.

Akumulator papierowy, który można wykorzystać raz, a następnie wyrzucić, ma obecnie okres trwałości około czterech miesięcy. Zespół Choi pracuje obecnie nad poprawą parametrów baterii i wydajności liofilizowanych bakterii, umożliwiając dłuższy okres przechowywania akumulatora.

– Wydajność mocy wymaga poprawy o około 1000 razy dla większości praktycznych zastosowań – przyznał Choi. Można to osiągnąć przez łączenie papierowych baterii, ale to nie rozwiązuje problemów, bo przy obecnych osiągach, taki rodzaj baterii nie będzie rozwiązaniem do zasilania konwencjonalnej elektroniki.

Przykładowo do zaświecenia 40-watowej żarówki potrzeba około miliona takich ogniw. Jednak mogą one okazać się przydatne do zasilania prostych bioczujników używanych do monitorowania poziomu glukozy u pacjentów z cukrzycą lub do wykrywania patogenów.

Choi złożył wniosek patentowy na papierowe baterie i obecnie poszukuje partnerów przemysłowych do komercjalizacji wynalazku.

 

 

 

 

Źródło: Science Daily, Seokheun Choi, DziennikNaukowy, https://www.sciencedaily.com/releases/2018/08/180819160713.htm