In dem Film The Matrix werden gelehrige, halbbewusste Menschen (Spoiler) als Batterien für eine große mechanische Kraft eingesetzt. Während dieses Prinzip offensichtlich weit hergeholt ist, sind Biobatterien real. In der neuesten Ausgabe der Advanced Science News beschreiben Wissenschaftler der State University von New York-Binghamton einen neuen Weg, Bakterien als Batterien für kleine Sensoren einzusetzen. Während Biobatterien für die Elektronik mit geringem Stromverbrauch verwendet wurden, waren sie für eine weitverbreitete Verwendung niemals einfach oder effizient genug. Aus diesem Grund hat die Binghamton-Gruppe eine neue, einfachere Methode entwickelt, um mikrobielle Brennstoffzellen, sogenannte MFCs, mit einem einzigen Blatt Papier und gefriergetrockneten Bakterien herzustellen und zu verteilen, die mit nur wenig Speichel aktiviert werden können.
Ein wichtiger Zweck von MFCs, insbesondere von MFCs auf Papierbasis, besteht darin, die Verwendung von Elektronik mit geringem Stromverbrauch, insbesondere von Sensoren, zu ermöglichen, wenn eine reguläre Batterie sowohl zu teuer als auch zu teuer ist. Diese Geräte laden zwar nicht die Telefone anderer Personen auf, bieten jedoch ausreichend Strom, um eine LED oder mit größerer Wahrscheinlichkeit Diagnosesensoren zu betreiben, mit denen HIV oder Krebs erkannt, der Blutzuckerspiegel überwacht und vieles mehr überwacht werden können.
"[MFCs] können in ressourcenbeschränkten Umgebungen wie in Entwicklungsländern eingesetzt werden", sagt der Erfinder Seokheun "Sean" Choi, Assistenzprofessor für Elektro- und Computertechnik in Binghamton. „Das Problem ist jedoch die Kraft. Wir können keine handelsüblichen Batterien oder neueren Energieerntetechnologien verwenden, da diese für einmalige Einweg-Biosensoren zu verschwenderisch und zu teuer sind. “
Shewanella oneidensis, das vom Choi-Team verwendete Bakterium, wird aufgrund seiner Fähigkeit, Metalle zu reduzieren und in sauerstoffarmen Umgebungen zu leben, häufig in der Nanotechnologie eingesetzt. Diese Reduktion, bei der positive Ionen von negativen getrennt werden, macht die langgestreckten 2-Mikrometer-Zellen für Biobatterien nützlich. Das Ergebnis sind frei geladene Teilchen, die als Strom verwendet werden können.
Wie eine normale Batterie trennt eine Biobatterie einen positiv geladenen Pol (Kathode) von einem negativ geladenen Pol (Anode). Während das Bakterium eine Nahrungsquelle (normalerweise Glukose) verdaut, setzen seine Atmungsfunktionen Elektronen und Protonen frei, die als Energie verwendet werden können.
„Wenn wir ihre Umgebung so gestalten, dass der Sauerstoff begrenzt ist, und dann eine feste Elektrode bereitstellen, können wir diese Elektronen einfangen“, sagt Choi.
Die Innovation von Choi hat mit der Struktur von Papier-MFCs zu tun. Wie kann man eine kostengünstige Papier-Biobatterie herstellen, die einfache elektronische Sensoren mit Strom versorgt, aber auch einfach zu bedienen und zu transportieren ist? Seine Lösung verwendete einige neue Techniken, hauptsächlich Gefriertrocknen und Falten.
Die Struktur der Batterie wird aus einem Blatt Chromatographiepapier gebildet, das in ein Faltengitter unterteilt ist. Ein mit Wachs bedeckter Abschnitt aus Silbernitrat bildet die Kathode. Ein weiterer Abschnitt aus leitfähigem Polymer dient als Anode und ein dritter enthält ein Reservoir für die Bakterien und ihre Energiequelle. Choi füllt das Reservoir mit Bakterien vor und gefriertrocknet sie. Auf diese Weise können sie bis zu zwei Wochen transportiert oder gelagert werden.
Zum Gebrauch einfach in das Reservoir spucken und in die Mitte von Kathode und Anode klappen. Ja, spucke; Alles, was es braucht, ist ein bisschen organisches Material, damit die Bakterien in Schwung kommen, und Speichel enthält Glukose. Es könnte alles Mögliche sein, aber Speichel ist allgemein verfügbar und weniger bedenklich als einige der Alternativen.
Chois Arbeit ist Teil des wachsenden und wichtigen Feldes der Papertronik. (Binghamton University) Aaron Mazzeo, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik bei Rutgers, stellt Papierelektronik für flexible Mensch-Maschine-Schnittstellen her - beispielsweise tragbare Papiergeräte zur Überwachung des Schweißes auf Cortisol, ein Indikator für Stress. Eine Batterie wie die von Choi könnte die Stromquelle sein, die er braucht.
„Wir werden weiterhin die Herausforderung haben, diese Geräte mit Strom zu versorgen“, sagt Mazzeo. „Wenn Sie über die Stromversorgung verfügen, können Sie die Diagnose durchführen, aber möglicherweise auch die Signale verstärken, sodass Sie möglicherweise kleinere Mengen erkennen können. Dies ist ein Ausweg für die Zukunft, aber diese Art von Dingen könnte nicht nur nützlich sein, um Cortisol zu messen, sondern vielleicht auch Dinge wie Cholesterin oder Alkohol oder andere klinisch relevante Marker im Blut, Urin oder Schweiß. “
Sowohl Mazzeos als auch Chois Arbeit ist Teil des wachsenden und wichtigen Feldes der Papertronik. Wissenschaftler finden immer bessere Möglichkeiten, Schaltkreise, Kondensatoren, Batterien und sogar Solarzellen und Benutzeroberflächen (wie es die Gruppe von Mazzeo tut) auf Papier zu bringen. Vor der Arbeit von Choi waren die Batterien, mit denen all diese Anwendungen ausgeführt wurden, komplizierte Vorgänge, die aus mehreren Blättern bestehen, die genau aufeinander abgestimmt werden müssen.
„Ich denke, dass dieses Feld ein echtes Potenzial hat, um zu den laufenden Bemühungen der Gesellschaft in den Bereichen Umweltstabilität, Sicherheit, Kommunikation, Gesundheit und Leistung beizutragen“, sagt Mazzeo.
Aber es gibt immer ein Bedürfnis, diese Elektronik mit Strom zu versorgen, deshalb möchte Choi seine Batterien immer noch leistungsfähiger und effizienter machen. Dazu untersucht er verschiedene Methoden, um sie zu falten und zu stapeln, und entwickelt Bakterien, um bessere Stromerzeuger zu sein.
