In India worden dagelijks grote hoeveelheden vis geconsumeerd, die een enorme hoeveelheid vis "bioafval" materialen genereert. In een poging iets positiefs te doen met dit bioafval, een team van onderzoekers aan de Jadavpur University in Koltata, India onderzocht het recyclen van de bijproducten van de vis in een energieoogstmachine voor zelfaangedreven elektronica.

Het uitgangspunt achter het werk van de onderzoekers is eenvoudig:vissenschubben bevatten collageenvezels die een piëzo-elektrische eigenschap hebben, wat betekent dat een elektrische lading wordt gegenereerd als reactie op het uitoefenen van een mechanische spanning. Zoals het team deze week meldt in Technische Natuurkunde Brieven , ze waren in staat om deze eigenschap te benutten om een ​​bio-piëzo-elektrische nanogenerator te fabriceren.

Om dit te doen, de onderzoekers eerst "biologisch afval ingezameld in de vorm van hard, rauwe visschubben van een visverwerkingsmarkt, en vervolgens een demineralisatieproces gebruikten om ze transparant en flexibel te maken, " legde Dipankar Mandal uit, assistent professor, Organisch nano-piëzo-elektrisch apparaatlaboratorium, Afdeling Natuurkunde, aan de Jadavpur-universiteit.

De collagenen in de verwerkte visschubben dienen als een actief piëzo-elektrisch element.

"We waren in staat om een ​​bio-piëzo-elektrische nanogenerator - ook wel een energieoogster genoemd - te maken met aan beide zijden elektroden, en daarna gelamineerd, ' zei Mandal.

Hoewel het bekend is dat een enkele collageen nanovezel piëzo-elektriciteit vertoont, tot nu toe had niemand geprobeerd zich te concentreren op het hiërarchisch organiseren van de collageen-nanofibrillen binnen de natuurlijke vissenschubben.

"We wilden onderzoeken wat er gebeurt met de piëzo-elektrische opbrengst wanneer een stel collageen-nanofibrillen hiërarchisch goed uitgelijnd en zelf-geassembleerd in de vissenschubben, " voegde hij eraan toe. "En we ontdekten dat de piëzo-elektriciteit van het collageen van vissenschubben vrij groot is (~5 pC/N), die we via directe meting konden bevestigen."

Verder dan dat, de hysteresislus van polarisatie-elektrisch veld en de resulterende hysteresislus van het spannings-elektrische veld - bewijs van een omgekeerd piëzo-elektrisch effect - veroorzaakt door het "niet-lineaire" elektrostrictie-effect ondersteunde hun bevindingen.

Het werk van het team is de eerste bekende demonstratie van het directe piëzo-elektrische effect van vissenschubben uit elektriciteit opgewekt door een bio-piëzo-elektrische nanogenerator onder mechanische stimuli - zonder dat er post-elektrische polingbehandelingen nodig zijn.

"We zijn ons terdege bewust van de nadelen van de nabewerkingsbehandelingen van piëzo-elektrische materialen, ’ merkte Mandal op.

Om de zelfuitlijningsfenomenen van het visschubbencollageen te onderzoeken, de onderzoekers gebruikten near-edge X-ray absorptie fijnstructuurspectroscopie, gemeten in het Raja Ramanna Center for Advanced Technology in Indore, Indië.

Experimentele en theoretische tests hielpen hen de energie-opruimende prestaties van de bio-piëzo-elektrische nanogenerator te verduidelijken. Het is in staat om verschillende soorten mechanische omgevingsenergieën op te vangen, waaronder lichaamsbewegingen, machine- en geluidstrillingen, en windstroom. Zelfs het herhaaldelijk aanraken van de bio-piëzo-elektrische nanogenerator met een vinger kan meer dan 50 blauwe LED's laten branden.

"We verwachten dat ons werk een grote impact zal hebben op het gebied van zelfaangedreven flexibele elektronica, "Zei Mandal. "Tot op heden, ondanks verschillende buitengewone inspanningen, niemand anders is erin geslaagd om een ​​biologisch afbreekbare energieoogstmachine te maken op een kosteneffectieve, proces in één stap."

Het werk van de groep kan mogelijk worden gebruikt in transparante elektronica, biocompatibele en biologisch afbreekbare elektronica, eetbare elektronica, zelfaangedreven implanteerbare medische apparaten, operaties, monitoring van e-gezondheidszorg, evenals in vitro en in vivo diagnostiek, afgezien van de talloze toepassingen voor draagbare elektronica.

"In de toekomst, ons doel is om een ​​bio-piëzo-elektrische nanogenerator te implanteren in een hart voor pacemakerapparaten, waar het continu stroom genereert uit hartslagen voor de werking van het apparaat, "Zei Mandal. "Dan zal het degraderen als het niet langer nodig is. Omdat hartweefsel ook uit collageen bestaat, onze bio-piëzo-elektrische nanogenerator zal naar verwachting zeer compatibel zijn met het hart."

De bio-piëzo-elektrische nanogenerator van de groep kan ook helpen bij gerichte medicijnafgifte, die momenteel interesse wekt als een manier om in vivo kankercellen te herstellen en ook om verschillende soorten beschadigd weefsel te stimuleren.

"Dus we verwachten dat ons werk enorm belangrijk zal zijn voor implanteerbare medische apparaten van de volgende generatie, " hij voegde toe.

"Ons einddoel is om geavanceerde opneembare elektronica te ontwerpen en te ontwikkelen die is samengesteld uit niet-toxische materialen die nuttig zijn voor een breed scala aan diagnostische en therapeutische toepassingen, ' zei Mandal.