AMHERST, Massachusetts – Naukowcy z University of Massachusetts Amherst ogłosili niedawno, że odkryli, jak zaprojektować biofilm, który zbiera energię podczas parowania i przekształca ją w energię elektryczną. Ten biofilm, ogłoszony w Nature Communications, może zrewolucjonizować świat elektroniki do noszenia, zasilając wszystko, od osobistych czujników medycznych po osobistą elektronikę.
„To bardzo ekscytująca technologia”, mówi Xiaomeng Liu, absolwent inżynierii elektrycznej i komputerowej w College of Engineering UMass Amherst i główny autor artykułu. „To prawdziwa zielona energia i w przeciwieństwie do innych tak zwanych źródeł „zielonej energii”, jej produkcja jest całkowicie zielona”.
Dzieje się tak, ponieważ ten biofilm – cienki arkusz komórek bakteryjnych o grubości arkusza papieru – jest wytwarzany naturalnie przez zmodyfikowaną wersję bakterii Geobacter sulfurreducens. Wiadomo, że G. sulfurreducens wytwarza energię elektryczną i był wcześniej stosowany w „bateriach mikrobiologicznych” do zasilania urządzeń elektrycznych. Ale takie baterie wymagają odpowiedniej pielęgnacji i stałego odżywiania G. sulfurreducens. W przeciwieństwie do tego, ten nowy biofilm, który może dostarczyć tyle samo, jeśli nie więcej energii niż bateria o porównywalnej wielkości, działa i działa nieprzerwanie, ponieważ jest martwy. A ponieważ jest martwy, nie trzeba go karmić.
„Jest znacznie bardziej wydajny”, mówi Derek Lovley, wybitny profesor mikrobiologii na UMass Amherst i jeden ze starszych autorów artykułu. „Uprościliśmy proces wytwarzania energii elektrycznej, radykalnie zmniejszając ilość potrzebnego przetwarzania. W sposób zrównoważony hodujemy komórki w biofilmie, a następnie wykorzystujemy tę aglomerację komórek. Zmniejsza to nakłady energii, upraszcza wszystko i poszerza potencjalne zastosowania”.
Sekretem tego nowego biofilmu jest to, że wytwarza energię z wilgoci na skórze. Chociaż codziennie czytamy historie o energii słonecznej, co najmniej 50% energii słonecznej docierającej do Ziemi idzie na parowanie wody. „To ogromne, niewykorzystane źródło energii”, mówi Jun Yao, profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej na UMass i drugi starszy autor artykułu. Ponieważ powierzchnia naszej skóry jest stale wilgotna od potu, biofilm może się „podłączyć” i przekształcić energię uwięzioną w parowaniu w energię wystarczającą do zasilania małych urządzeń.
„Czynnikiem ograniczającym elektronikę do noszenia” — mówi Yao — „od zawsze był zasilacz. Baterie są wyczerpane i muszą zostać wymienione lub naładowane. Są też nieporęczne, ciężkie i niewygodne”. Ale przezroczysty, mały, cienki, elastyczny biofilm, który zapewnia ciągłe i stabilne dopływy energii elektrycznej i który można nosić jak plaster, jako plaster nakładany bezpośrednio na skórę, rozwiązuje wszystkie te problemy.
To, co sprawia, że to wszystko działa, to fakt, że G. sulfurreducens rośnie w koloniach, które wyglądają jak cienkie maty, a każdy z drobnoustrojów łączy się ze swoimi sąsiadami za pomocą szeregu naturalnych nanodrutów. Zespół następnie zbiera te maty i używa lasera do wytrawiania małych obwodów w błonach. Po wytrawieniu folie są umieszczane między elektrodami i ostatecznie zamykane w miękkim, lepkim, oddychającym polimerze, który można nakładać bezpośrednio na skórę. Gdy ta mała bateria zostanie „podłączona” przez przyłożenie jej do ciała, może zasilać małe urządzenia.
„Naszym następnym krokiem jest zwiększenie rozmiaru naszych folii, aby zasilać bardziej wyrafinowaną elektronikę do noszenia na skórze”, mówi Yao, a Liu wskazuje, że jednym z celów jest zasilanie całych systemów elektronicznych, a nie pojedynczych urządzeń.
Badania te były prowadzone przez Instytut Stosowanych Nauk Przyrodniczych (IALS) przy UMass Amherst, który łączy głęboką i interdyscyplinarną wiedzę ekspercką z 29 wydziałów w celu przełożenia badań podstawowych na innowacje, które przynoszą korzyści ludzkiemu zdrowiu i dobremu samopoczuciu.
Łączność: Jun Yao, [email protected]
Daegan Miller, [email protected]