Wat zijn "Papertronics"? Waarom onderzoekers naar papier kijken als een batterijbron

Het lijkt erop dat er elke paar maanden een nieuwe mobiele telefoon, laptop of tablet is waar zo opwindende mensen om de hoek kijken om ze te bemachtigen. Hoewel de eeuwige introductie van nieuwe, iets geavanceerdere elektronica bedrijven zoals Apple enorm succesvol heeft gemaakt, is de korte houdbaarheid van deze elektronica slecht voor het milieu.

Moderne elektronica is gevuld met printplaten waarop verschillende metalen en kunststoffen aan elkaar zijn gesoldeerd. Sommige van deze materialen zijn giftig of breken af ​​in giftige stoffen. Er worden inspanningen geleverd om recycling van e-waste te stimuleren, materialen terug te winnen die kunnen worden hergebruikt en de rest op de juiste manier te verwijderen. Maar de meeste apparaten worden toegevoegd aan de groeiende stapels e-afval op stortplaatsen.

In plaats van meer afval aan deze steeds groter wordende stapels toe te voegen, is er een mogelijkheid om elektronica te maken die biologisch afbreekbaar is. Dat is de reden waarom andere onderzoekers en ik op zoek zijn naar het opkomende gebied van papier-gebaseerde elektronica - bekend als "papertronica." Ze zijn flexibel - zelfs opvouwbaar - duurzaam, vriendelijk voor het milieu en lage kosten.

Maar om echt eco-vriendelijk te zijn, kunnen papierfabrikanten geen traditionele batterijen gebruiken, die zijn gemaakt van metalen en bijtende zuren, om elektriciteit op te slaan en te ontladen. Onlangs hebben mijn chemicus collega Omowunmi Sadik en ik een papieren batterij ontwikkeld die recyclebaar en biologisch afbreekbaar is, en ook betrouwbaar genoeg om daadwerkelijk te gebruiken. De sleutel is bacteriën.

Flexibele bio-batterijen

Ik heb flexibele batterijen, batterijen met speeksel en meer ontwikkeld. Ik dacht dat het bij het streven naar het gebruik van op papier gebaseerde elektronica logisch was om te proberen een batterij van papier te maken. Gelukkig is papier een goed potentieel batterijmateriaal: het is flexibel, een goede isolator - waardoor het een goed platform is voor het monteren van elektronische componenten - en absorbeert en lost gemakkelijk vloeistoffen op. We hebben polymeren toegevoegd - poly (amine) zuur en poly (pyromellitisch dianhydride-p-fenyleendiamine) - om die elektrische eigenschappen te verbeteren.

Om vervolgens energie op te slaan in de batterij, in plaats van de metalen en zuren die chemisch reageren om elektronen te genereren, hebben we bacteriën toegevoegd. Wanneer deze batterijen uiteindelijk in de handel worden gebracht, zullen ze bacteriën gebruiken die veilig zijn voor mens en milieu en goed zijn ingesloten om elke andere besmetting te verminderen.

Omdat het papier ruw en poreus is, blijven de bacteriën eraan kleven en genereren ze hun eigen energie door bijna elk beschikbaar organisch materiaal, inclusief plantaardig materiaal of afvalwater, af te breken. Op dit moment zijn we bronmateriaal voorverpakt, maar het kan ook afkomstig zijn uit de omgeving. Deze chemische reactie produceert elektronen. Normaal gesproken zouden bij een bacteriële reactie die elektronen zich binden met zuurstof, maar we hebben onze batterij gebouwd om zuurstof te beperken en een elektrode te vervangen, wat betekent dat we de elektronenstroom kunnen vastleggen en gebruiken om apparaten van stroom te voorzien.

We waren bezorgd dat zuurstof in het papier kon komen en de elektronenstroom tussen de bacteriën kon onderbreken, waardoor de efficiëntie van de batterij afnam. We hebben gemerkt dat dit weliswaar minimale effecten heeft. Dat komt omdat zoveel bacteriecellen zo stevig aan de papiervezels zijn gehecht; ze vormen een meerlaagse biofilm die de chemische reactie afschermt van de meeste zuurstof.

We wilden ook een batterij die biologisch zou kunnen worden afgebroken. De bacteriën in de batterij zelf kunnen, zodra ze klaar zijn met het vrijgeven van energie, het papier en de polymeren afbreken tot onschadelijke componenten. In water kan onze batterij gemakkelijk biologisch afgebroken worden, zonder speciale apparatuur of andere micro-organismen om te helpen bij de afbraak.

De polymeer-papierstructuren zijn lichtgewicht, goedkoop en flexibel. Die flexibiliteit zorgt er ook voor dat de batterijen kunnen vouwen als een normaal stuk papier of op elkaar kunnen worden gestapeld. Dat laat meer batterijvermogen in kleinere ruimtes passen.

Beloften en kansen

Papertronics kan bijzonder nuttig zijn in afgelegen gebieden met beperkte middelen omdat ze worden aangedreven door bacteriën die zelfs de meest extreme omstandigheden kunnen bewonen en bijna elk materiaal dat elektronen produceert, kunnen afbreken. Ze hebben ook geen goed ingeburgerd elektriciteitsnet nodig. Hoewel papierbatterijen zijn ontworpen om te worden weggegooid nadat ze zijn gebruikt, zijn hun materialen recycleerbaar en kunnen nieuwe batterijen worden gemaakt op basis van gerecycled papier.

Net zo revolutionair als op papier gebaseerde bio-batterijen voor toekomstige elektronische apparaten, ze zijn redelijk eenvoudig te maken. De polymeren en bacteriën kunnen worden gemengd met papier in traditionele productieprocessen, waaronder rol-naar-rol afdrukken en zeefdrukken - of zelfs worden geschilderd of direct op papier worden gegoten.

Andere materialen kunnen ook aan de papierbatterijen worden toegevoegd, zoals metalen, halfgeleiders, isolatoren en nanodeeltjes. Deze en andere stoffen kunnen meer eigenschappen en mogelijkheden toevoegen aan op papier gebaseerde apparaten, waardoor nieuwe deuren worden geopend voor de volgende generatie elektronica.

Dit artikel werd oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation door Seokheun Choi. Lees hier het originele artikel.