Què són "Papertronics"? Per què els investigadors busquen el paper com a font de bateria

Sembla que cada pocs mesos hi ha un telèfon mòbil nou, un ordinador portàtil o una tauleta tan emocionant perquè la gent s’alteri al voltant de la quadra per posar-hi les mans. Mentre que la introducció perpètua d’electrònica nova i lleugerament més avançada ha fet que les empreses com Apple tinguin èxit, la vida útil d'aquests aparells electrònics és dolenta per al medi ambient.

L'electrònica moderna està plena de taulers de circuit on es solden diversos metalls i plàstics. Alguns d’aquests materials són tòxics o es descomponen en substàncies tòxiques. Hi ha esforços en curs per potenciar el reciclatge de residus electrònics, recuperant materials que poden ser reutilitzats i eliminats adequadament la resta. Però la majoria de dispositius acaben afegint-se a les piles creixents de residus electrònics en abocadors.

En lloc d’afegir més escombraries a aquestes piles en creixement, hi ha l’oportunitat de crear electrònica biodegradable. Per això, altres investigadors i jo estem buscant el camp emergent de l'electrònica basada en paper, coneguda com "papertronics". Són flexibles, fins i tot plegables, sostenibles, amigables amb el medi ambient i de baix cost.

Però per ser veritablement respectuosos amb el medi ambient, papertronics no pot utilitzar bateries tradicionals, fetes de metalls i àcids càustics, per emmagatzemar i descarregar electricitat. Recentment, el meu col·lega de farmàcia Omowunmi Sadik i jo vam desenvolupar una bateria de paper reciclable i biodegradable, a més de ser prou fiable per utilitzar-la. La clau és el bacteri.

Bio-bateries flexibles

He desenvolupat bateries flexibles, piles alimentades per saliva i molt més. Vaig pensar que quan es buscava alimentar l'electrònica basada en paper, tenia sentit intentar que la bateria quedés fora de paper. Afortunadament, el paper és un bon material de bateria: és flexible, un bon aïllant, que el converteix en una bona plataforma per muntar components electrònics i absorbeix i allibera fluids fàcilment. Hem afegit polímers: poli (amic) àcid i poli (piramellític dianhídrid-p-fenilenodiamina) per millorar aquestes característiques elèctriques.

Després, per emmagatzemar energia a la bateria, en lloc dels metalls i els àcids que reaccionen químicament per generar electrons, hem afegit bacteris. Quan finalment es comercialitzin aquestes bateries, utilitzaran bacteris que siguin segures per als éssers humans i el medi ambient i que estiguin ben contingudes per reduir qualsevol altra contaminació.

Com que el paper és aspre i porós, els bacteris s'enganxen a ell i generen la seva pròpia energia trencant gairebé qualsevol material orgànic disponible, inclòs el material vegetal o les aigües residuals. De moment, estem preparant el material font d’embalatge, però també pot provenir del medi ambient. Aquesta reacció química produeix electrons. Normalment, en una reacció bacteriana, aquests electrons es vincularien amb l'oxigen, però hem construït la nostra bateria per limitar l'oxigen i substituir un elèctrode, de manera que podem capturar el flux d'electrons i utilitzar-lo per alimentar dispositius.

Ens preocupava que l’oxigen pogués entrar al paper i interrompre el flux d’electrons entre els bacteris, disminuint l’eficiència de la bateria. Hem trobat que mentre això succeeix, té efectes mínims. Això és perquè tantes cèl·lules bacterianes estan tan estretament lligades a les fibres de paper; formen un biofilm multicapa que protegeix la reacció química de la majoria d'oxigen.

També volíem tenir una bateria que es podria biodegradar. Els bacteris de la pròpia bateria, un cop realitzats alliberant energia, poden trencar el paper i els polímers en components inofensius. En aigua, la nostra bateria es biodegradarà fàcilment, sense cap equipament especial ni altres microorganismes que ajudin a la ruptura.

Les estructures de paper polimèric són lleugeres, de baix cost i flexibles. Aquesta flexibilitat també permet que les bateries es plegin com una peça de paper normal o que es puguin apilar les unes sobre les altres. Això fa que la bateria s’adapti a espais més petits.

Promeses i oportunitats

Papertronics pot ser especialment útil en àrees remotes amb recursos limitats perquè són alimentats per bacteris que poden habitar fins i tot les condicions més extremes i descomponen gairebé qualsevol material per produir electrons. Tampoc necessiten una xarxa elèctrica ben establerta. A més, encara que les bateries de paper estiguin dissenyades per a un sol ús després que s’utilitzin, els seus materials són reciclables i es poden crear noves bateries a partir de paper reciclat.

Com a revolucionaris, ja que les bio-bateries basades en paper són per a futurs dispositius electrònics, són bastant directes. Els polímers i els bacteris es poden barrejar amb el paper en els processos de fabricació tradicionals, incloent-hi la impressió enrotllable i la serigrafia, o fins i tot pintats o abocats al paper.

També es poden afegir altres materials a les bateries de paper, com ara metalls, semiconductors, aïlladors i nanopartícules. Aquestes i altres substàncies poden afegir més propietats i capacitats als dispositius basats en paper, obrint noves portes per a la propera generació d'electrònica.

Aquest article va ser publicat originalment a The Conversation de Seokheun Choi. Llegiu l'article original aquí.