I filmen The Matrix er føyelige, halvbevisste mennesker (spoiler) brukt som batterier for en stor mekanisk kraft. Selv om dette prinsippet åpenbart er langsiktig, er biobatterier reelle. I den siste utgaven av Advanced Science News beskriver forskere ved State University of New York-Binghamton en ny måte å bruke bakterier på som batterier for små sensorer. Selv om biobatterier har blitt brukt til elektronikk med lav effekt, har de aldri vært enkle eller effektive nok til utbredt bruk. Så Binghamton-gruppen har utviklet en ny, enklere, måte å lage og distribuere mikrobielle brenselceller, kjent som MFC, ved å bruke et enkelt ark papir og frysetørkede bakterier som kan aktiveres med bare litt spytt.
Et viktig formål med MFC-er, spesielt papirbaserte, er å muliggjøre bruk av lite strømelektronikk, spesielt sensorer, når et vanlig batteri både er for høyt og kostnadsforbudt. Disse vil ikke lade noen telefoner, men de vil sette ut nok strøm til å kjøre en LED, eller mer sannsynlig, diagnosesensorer som kan brukes til å oppdage HIV eller kreft, overvåke glukose og mer.
"[MFCs] kan brukes i ressursbegrensede miljøer, som utviklingsland, " sier skaper Seokheun "Sean" Choi, adjunkt i elektro- og datateknikk ved Binghamton. “Imidlertid er problemet kraften. Vi kan ikke bruke kommersielt tilgjengelige batterier eller nyere energihøstteknologier fordi de er for bortkastede og for dyre for engangsbruk, engangs biosensorer.
Shewanella oneidensis, bakteriene som brukes av Chois team, brukes ofte i nanoteknologi på grunn av dens evne til å redusere metaller og leve i oksygenfattige miljøer. Det er den reduksjonen, der positive ioner er skilt fra negative, som gjør de langstrakte to-mikrometer cellene nyttige i biobatterier - resultatet er gratis ladede partikler som kan brukes som kraft.
Som et vanlig batteri fungerer en biobatteri ved å skille en positivt ladet terminal (kalt katoden) fra en negativt ladet terminal (anode). Når bakteriene fordøyer en matkilde (vanligvis glukose), frigjør luftveisfunksjonene elektroner og protoner, som kan brukes som energi.
"Hvis vi konstruerer miljøet slik at oksygenet er begrenset, og så gir vi en solid elektrode, kan vi fange opp disse elektronene, " sier Choi.
Chois innovasjon har å gjøre med strukturen til papir-MFC-er. Hvordan, spurte han, kan du lage et billig biobatteri som er i stand til å drive enkle elektroniske sensorer, men som også er enkel å bruke og transportere? Hans løsning benyttet noen nye teknikker, først og fremst frysetørking og bretting.
Strukturen til batteriet er dannet av et ark kromatografipapir, delt inn i et rutenett med bretter. En seksjon, laget av sølvnitrat og dekket av voks, danner katoden. En annen seksjon av ledende polymer fungerer som anoden, og en tredje inneholder et reservoar for bakteriene og dens energikilde. Choi forhåndsbelaster reservoaret med bakterier og frysetørker dem. På denne måten kan de transporteres eller lagres i opptil to uker.
For å bruke, bare spytt inn i reservoaret og brett det inn i midten av katoden og anoden. Ja, spytte; alt som trengs er litt organisk materiale for at bakteriene skal komme i gang, og spytt inneholder glukose. Det kan være hva som helst, men spytt er generelt tilgjengelig og mindre kritikkverdige enn noen av alternativene.
Chois arbeid er en del av det voksende og viktige feltet innen papirtronikk. (Binghamton University) Aaron Mazzeo, assisterende professor i mekanisk og romfart ingeniørfag ved Rutgers, lager papirtronics for fleksible grensesnitt mellom mennesker og maskiner - ting som bærbare papirenheter for å overvåke svette for kortisol, en indikator på stress. Et batteri som Choi's kan være strømkilden han trenger.
"Vi kommer til å fortsette å ha den pågående utfordringen med å levere strøm til disse enhetene, " sier Mazzeo. Å ha den elektriske kraften lar deg stille diagnosen, men det kan også potensielt forsterke signalene, slik at du kanskje kan oppdage mindre mengder. Dette er utvei i fremtiden, men denne typen ting kan være nyttig for ikke bare å måle kortisol, men kanskje til og med ting som kolesterol eller alkohol eller andre klinisk relevante markører i blod, urin eller svette. ”
Både Mazzeos og Chois arbeider er en del av det voksende og viktige feltet innen papirtronikk. Forskere finner flere og bedre måter å sette kretsløp, kondensatorer, batterier og til og med solceller og brukergrensesnitt på (som Mazzeos gruppe gjør) på papir. Før Chois arbeid har batteriene som har kjørt alle disse applikasjonene, vært kompliserte saker som består av flere papirark som må matches nøyaktig.
"Jeg tror det er et reelt potensial for dette feltet å bidra til samfunnets pågående innsats innen miljøstabilitet, sikkerhet, kommunikasjon, helse og ytelse, " sier Mazzeo.
Men det er alltid et behov for å drive den elektronikken, så Choi ønsker fortsatt å gjøre batteriene mer kraftige og effektive, og for å gjøre det undersøker han forskjellige måter å brette dem og stable dem på, samt prosjektere bakterier for å være bedre produsenter av kraft.
