Het lijkt alsof er elke paar maanden een nieuwe mobiel is, laptop of tablet die zo opwindend is dat mensen om de hoek in de rij gaan staan ​​om het in handen te krijgen. Terwijl de voortdurende introductie van nieuwe, iets geavanceerdere elektronica heeft bedrijven als Apple enorm succesvol gemaakt, de korte houdbaarheid van deze elektronica is 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 vallen uiteen in giftige stoffen. Er zijn inspanningen aan de gang om de recycling van e-waste te stimuleren, het terugwinnen van materialen die kunnen worden hergebruikt en het op de juiste manier afvoeren van de rest. Maar de meeste apparaten worden uiteindelijk toegevoegd aan de groeiende stapels e-waste op stortplaatsen.

In plaats van meer afval toe te voegen aan deze steeds groter wordende stapels, er is een mogelijkheid om elektronica te maken die biologisch afbreekbaar is. Daarom kijken andere onderzoekers en ik naar het opkomende gebied van op papier gebaseerde elektronica - bekend als 'papertronics'. Ze zijn flexibel – zelfs opvouwbaar – duurzaam, milieuvriendelijk en voordelig.

Maar om echt milieuvriendelijk te zijn, papertronics kan geen traditionele batterijen gebruiken, die zijn gemaakt van metalen en bijtende zuren, elektriciteit op te slaan en af ​​te voeren. Onlangs, mijn chemicus-collega Omowunmi Sadik en ik hebben een papieren batterij ontwikkeld die recyclebaar en biologisch afbreekbaar is, evenals betrouwbaar genoeg om daadwerkelijk te gebruiken. De sleutel is bacteriën.

Flexibele bio-batterijen

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

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

Omdat het papier ruw en poreus is, de bacteriën blijven eraan plakken, en genereren hun eigen energie door bijna elk beschikbaar organisch materiaal af te breken, inclusief plantmateriaal of afvalwater. Momenteel, we verpakken bronmateriaal voor, maar het kan ook uit de omgeving komen. Deze chemische reactie produceert elektronen. Normaal gesproken bij een bacteriële reactie, die elektronen zouden 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 bang dat zuurstof in het papier zou kunnen komen en de elektronenstroom tussen de bacteriën zou onderbreken. de efficiëntie van de batterij verminderen. We ontdekten dat hoewel dat gebeurt, het heeft minimale effecten. Dat komt omdat zoveel bacteriecellen zo stevig vastzitten aan de papiervezels; ze vormen een meerlaagse biofilm die de chemische reactie afschermt van de meeste zuurstof.

We wilden ook een batterij die biologisch afbreekbaar is. De bacteriën in de batterij zelf, als ze klaar zijn met het vrijgeven van energie, kan het papier en de polymeren afbreken tot onschadelijke componenten. In water, onze batterij gemakkelijk biologisch afbreekbaar, 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 worden gestapeld. Hierdoor past er meer batterijvermogen in kleinere ruimtes.

Beloften en kansen

Papertronics kan bijzonder nuttig zijn in afgelegen gebieden met beperkte middelen, omdat ze worden aangedreven door bacteriën die zelfs in de meest extreme omstandigheden kunnen leven en bijna elk materiaal kunnen afbreken om elektronen te produceren. Ze hebben geen goed ontwikkeld elektriciteitsnet nodig, of. In aanvulling, hoewel papieren batterijen zijn ontworpen om wegwerpbaar te zijn nadat ze zijn gebruikt, hun materialen zijn recyclebaar - en nieuwe batterijen kunnen worden gemaakt van gerecycled papier.

Zo revolutionair als op papier gebaseerde biobatterijen zijn voor toekomstige elektronische apparaten, ze zijn vrij eenvoudig te maken. De polymeren en bacteriën kunnen in traditionele productieprocessen met papier worden gemengd, inclusief roll-to-roll bedrukking en zeefdruk – of zelfs beschilderd of rechtstreeks op papier gegoten.

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

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.