Cosa sono "Papertronics"? Perché i ricercatori considerano la carta come una fonte di batteria

Sembra che ogni pochi mesi ci sia un nuovo telefono cellulare, laptop o tablet che è così entusiasmante che si mette in fila attorno all'isolato per metterci le mani sopra. Mentre l'introduzione perpetua di nuovi dispositivi elettronici un po 'più avanzati ha reso le aziende come Apple di enorme successo, la breve durata di questi componenti elettronici è dannosa per l'ambiente.

L'elettronica moderna è piena di circuiti stampati su cui metalli e plastiche sono saldati insieme. Alcuni di questi materiali sono tossici o si degradano in sostanze tossiche. Sono in corso sforzi per promuovere il riciclaggio dei rifiuti elettronici, il recupero di materiali che possono essere riutilizzati e il corretto smaltimento del resto. Ma la maggior parte dei dispositivi viene aggiunta alle crescenti pile di rifiuti elettronici nelle discariche.

Invece di aggiungere altra spazzatura a queste pile sempre crescenti, c'è l'opportunità di creare componenti elettronici che sono biodegradabili. Ecco perché altri ricercatori e io guardiamo al settore emergente dell'elettronica basata su carta - noto come "papertronics". Sono flessibili - anche pieghevoli - sostenibili, rispettosi dell'ambiente e a basso costo.

Ma per essere veramente eco-compatibili, la cartotecnica non può usare le batterie tradizionali, che sono fatte di metalli e acidi caustici, per immagazzinare e scaricare l'elettricità. Recentemente, il mio collega chimico Omowunmi Sadik e io abbiamo sviluppato una batteria di carta che è riciclabile e biodegradabile, oltre a essere abbastanza affidabile da poter essere utilizzata. La chiave sono i batteri.

Bio-batterie flessibili

Ho sviluppato batterie flessibili, batterie alimentate da saliva e altro ancora. Ho pensato che quando si cercava di alimentare l'elettronica basata su carta, aveva senso cercare di fare una pila di carta. Fortunatamente, la carta è un buon potenziale materiale della batteria: è flessibile, un buon isolante - che lo rende una buona piattaforma per il montaggio di componenti elettronici - e assorbe e rilascia facilmente i fluidi. Abbiamo aggiunto polimeri - acido poli (amico) e poli (dianidruro piromellitico-p-fenilendiammina) - per migliorare quelle caratteristiche elettriche.

Quindi, per immagazzinare energia nella batteria, al posto dei metalli e degli acidi che reagiscono chimicamente per generare elettroni, abbiamo aggiunto i batteri. Quando queste batterie saranno commercializzate, useranno batteri sicuri per l'uomo e l'ambiente e ben contenuti per ridurre qualsiasi altra contaminazione.

Poiché la carta è ruvida e porosa, i batteri si attaccano ad essa e generano la propria energia abbattendo quasi tutti i materiali organici disponibili, inclusi materiale vegetale o acque reflue. Al momento, stiamo preparando materiale sorgente preconfezionato, ma potrebbe anche provenire dall'ambiente. Questa reazione chimica produce elettroni. Normalmente in una reazione batterica, quegli elettroni si legherebbero con l'ossigeno, ma abbiamo costruito la nostra batteria per limitare l'ossigeno e sostituire un elettrodo, il che significa che possiamo catturare il flusso di elettroni e usarlo per alimentare i dispositivi.

Eravamo preoccupati che l'ossigeno potesse entrare nella carta e interrompere il flusso di elettroni tra i batteri, diminuendo l'efficienza della batteria. Abbiamo scoperto che mentre ciò accade, ha effetti minimi. Questo perché così tante cellule batteriche sono così strettamente attaccate alle fibre di carta; formano un biofilm multistrato che protegge la reazione chimica dalla maggior parte dell'ossigeno.

Volevamo anche una batteria che potesse biodegradare. I batteri nella batteria stessa, una volta terminato il rilascio di energia, possono abbattere la carta e i polimeri in componenti innocui. In acqua, la nostra batteria si biodegrada facilmente, senza alcuna attrezzatura speciale o altri microrganismi per aiutare nel guasto.

Le strutture in carta polimerica sono leggere, a basso costo e flessibili. Questa flessibilità consente anche alle batterie di piegarsi come un normale pezzo di carta o di essere sovrapposte l'una sull'altra. Ciò consente di accrescere la capacità della batteria in spazi più piccoli.

Promesse e opportunità

Papertronics può essere particolarmente utile in aree remote con risorse limitate perché sono alimentate da batteri che possono vivere anche nelle condizioni più estreme e abbattere quasi tutti i materiali per produrre elettroni. Non hanno nemmeno bisogno di una rete elettrica ben consolidata. Inoltre, sebbene le batterie di carta siano progettate per essere monouso dopo essere state utilizzate, i loro materiali sono riciclabili e le nuove batterie possono essere create con carta riciclata.

Essendo rivoluzionarie come le bio-batterie basate su carta sono per i futuri dispositivi elettronici, sono abbastanza semplici da fare. I polimeri e i batteri possono essere miscelati con la carta nei processi di produzione tradizionali, compresa la stampa roll-to-roll e la serigrafia, oppure possono anche essere verniciati o versati direttamente sulla carta.

Altri materiali possono anche essere aggiunti alle batterie di carta - come metalli, semiconduttori, isolanti e nanoparticelle. Queste e altre sostanze possono aggiungere ulteriori proprietà e funzionalità ai dispositivi basati su carta, aprendo nuove porte per la prossima generazione di componenti elettronici.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation di Seokheun Choi. Leggi l'articolo originale qui.