Vad är "Papertronics"? Varför forskare tittar på papper som en batterikälla

Det verkar som om det finns några nya månader, det finns en ny mobiltelefon, bärbar dator eller surfplatta som är så spännande människor som står uppe i kvarteret för att ta hand om det. Medan den eviga introduktionen av ny, något mer avancerad elektronik har gjort affärer som Apple enormt framgångsrik, är den korta hållbarheten för dessa elektronik dålig för miljön.

Modern elektronik är fylld med kretskort på vilka olika metaller och plaster lödas ihop. Några av dessa material är giftiga - eller bryts ner i giftiga ämnen. Det finns ansträngningar för att öka återvinningen av e-avfall, återvinna material som kan återanvändas och ordentligt bortskaffa resten. Men de flesta enheter hamnar till de växande högarna av e-avfall i deponier.

I stället för att lägga till mer skräp till dessa ständigt växande högar finns det möjlighet att skapa biologiskt nedbrytbar elektronik. Det är därför som andra forskare och jag letar efter det framväxande pappersbaserade elektroniken - känd som "papertronics". De är flexibla - jämnvikbara - hållbara, miljövänliga och billiga.

Men för att vara riktigt miljövänlig kan pappertronics inte använda traditionella batterier, som är tillverkade av metaller och kaustinsyror, för att lagra och ladda ur el. Nyligen har min kemistkollega Omowunmi Sadik och jag utvecklat ett pappersbatteri som är återvinningsbart och biologiskt nedbrytbart, liksom tillförlitligt nog att faktiskt använda. Nyckeln är bakterier.

Flexibla bio-batterier

Jag har utvecklat flexibla batterier, batterier som drivs av saliv och mer. Jag tänkte att när jag försökte driva pappersbaserad elektronik så var det meningsfullt att försöka göra ett batteri ur papper. Lyckligtvis är papper ett bra potentiellt batterimaterial: Det är flexibelt, en bra isolator - vilket gör den till en bra plattform för montering av elektroniska komponenter - och absorberar och släpper ut vätskor enkelt. Vi tillsatte polymerer - poly (aminsyra) och poly (pyromellitisk dianhydrid-p-fenylendiamin) - för att förbättra de elektriska egenskaperna.

Sedan, för att lagra energi i batteriet, istället för metaller och syror som reagerar kemiskt för att generera elektroner, lägger vi till bakterier. När dessa batterier slutligen kommersialiseras, kommer de att använda bakterier som är säkra för människor och miljön och välhållna för att minska all annan förorening.

Eftersom papperet är grovt och poröst håller bakterierna fast och genererar sin egen energi genom att bryta ner nästan allt tillgängligt organiskt material, inklusive växtmaterial eller avloppsvatten. För närvarande är vi förpackningsmaterial, men det kan också komma från miljön. Denna kemiska reaktion producerar elektroner. Normalt i en bakteriell reaktion, skulle dessa elektroner binda med syre, men vi har byggt vårt batteri för att begränsa syre och ersätta en elektrod, vilket betyder att vi kan fånga elektronflödet och använda det till kraftenheter.

Vi var oroade över att syre kan komma in i papperet och avbryta elektronflödet mellan bakterierna, vilket minskar batteriets effektivitet. Vi har funnit att medan det händer, har det minimala effekter. Det beror på att så många bakterieceller är så tätt förbundna med pappersfibrerna. de bildar en flerskiktsfilm som skyddar den kemiska reaktionen från mest syre.

Vi ville också ha ett batteri som kan bionedbrytas. Bakterierna i själva batteriet, när de är färdiga att frigöra energi, kan bryta ner papperet och polymererna i ofarliga komponenter. I vatten, vårt batteri lätt biologiskt gränsat, utan någon speciell utrustning eller andra mikroorganismer för att hjälpa till i nedbrytningen.

Polymerpappersstrukturerna är lätta, billiga och flexibla. Den flexibiliteten möjliggör också att batterierna kan vikas som en vanlig pappersbit eller staplas ovanpå varandra. Det gör att fler batterier passar in i mindre utrymmen.

Löften och möjligheter

Papertronics kan vara särskilt användbart i avlägsna områden med begränsade resurser eftersom de drivs av bakterier som kan bevara även de mest extrema förhållandena och bryta ner nästan vilket material som helst för att producera elektroner. De behöver inte heller ett etablerat elnät. Dessutom, även om pappersbatterier är konstruerade för att vara engångs efter användning, är deras material återvinningsbara - och nya batterier kan skapas från returpapper.

Så revolutionerande som pappersbaserade biobatterier är för framtida elektroniska enheter, är de ganska enkla att göra. Polymererna och bakterierna kan blandas med papper i traditionella tillverkningsprocesser, inklusive roll-to-roll-utskrift och skärmtryck - eller till och med målas eller hällas direkt på papper.

Andra material kan också läggas till pappersbatterierna - som metaller, halvledare, isolatorer och nanopartiklar. Dessa och andra ämnen kan lägga till fler egenskaper och kapacitet till pappersbaserade enheter, öppna nya dörrar för nästa generations elektronik.

Den här artikeln publicerades ursprungligen på The Conversation av Seokheun Choi. Läs den ursprungliga artikeln här.