Мир научной фантастики зачастую очень близок к миру реальной науки, порой даже предсказывая будущие открытия и технологии. Иногда научная фантастика даже становится вдохновением для ученых, желающих попытаться реализовать ту или иную литературную или киношную технологию в реальном мире. Ученые из Бингемтонского университета (США) именно это и сделали, обратив свое внимание на фильм «Миссия невыполнима». Они создали биоразлагаемый источник питания, который фактически «исчезает» после использования. Из чего сделана эта батарейка, как именно она работает, и где она может быть применена на практике? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

В серии фильмов «Миссия невыполнима» устройство, доставляющее инструкции по выполнению миссии Итану Ханту, которого играет Том Круз, самоуничтожается через 5 секунд, чтобы защитить конфиденциальную информацию. Эта концепция была признана в инженерии и науке как отдельный класс передовых технологий, известных как «временная электроника» (Transient Electronics). По определению, временная электроника предназначена для краткосрочной работы, связанной с конкретной миссией, после чего она самоуничтожается и прекращает функционировать. В биомедицинских и экологических приложениях дополнительным требованием является то, чтобы эти устройства растворялись и рассасывались на месте, оставляя минимальные, безвредные остатки — таким образом, устраняя необходимость в извлечении. Следовательно, термин «биорезорбируемая электроника» появился для описания временных устройств, специально разработанных для биомедицинских и экологических приложений, предлагающих растворимость, а также биосовместимость, биобезопасность и экологичность.

Замечательная способность этих устройств исчезать, не оставляя следов в окружающей среде, проложила путь для новой области, известной как «зеленая электроника» или «устойчивая электроника». Это достижение предлагает многообещающее решение критической глобальной проблемы электронных отходов (e-waste), которая усугубляется быстрыми технологическими обновлениями и устареванием. Однако, в то время как для разрушения зеленой электроники микроорганизмами окружающей среды могут потребоваться месяцы, временная и биорассасывающаяся электроника должна соответствовать гораздо более строгим стандартам — распадаться в течение часов или даже минут после выполнения своих краткосрочных миссий. В этом контексте важно прояснить распространенное заблуждение, встречающееся в различных исследовательских и обзорных статьях: основная цель временной и биорассасывающейся электроники — не просто сокращение электронных отходов. Скорее, их основная цель — обеспечить краткосрочную, предопределенную работу, после которой они распадаются, когда больше не нужны. Их временный характер предназначен для использования в приложениях, где извлечение нецелесообразно или нежелательно, например, временных медицинских имплантатов, датчиков окружающей среды или одноразовых устройств безопасности.

При разработке полностью временных электронных систем критическая проблема заключается в интеграции подходящего временного источника питания. Такой источник питания необходим для обеспечения полностью временной системы, способной к независимой и самоподдерживающейся работе. Традиционные решения в области питания, такие как литий-ионные аккумуляторы, суперконденсаторы и другие распространенные технологии аккумуляторов, все чаще подвергаются пристальному вниманию из-за их зависимости от небиоразлагаемых и потенциально токсичных неорганических материалов, энергоемкого производства и образования опасных отходов. Хотя некоторые исследовательские работы изучали временные источники питания и устройства хранения энергии, эти технологии остаются на ранних стадиях и часто не подходят для биорассасывающихся приложений из-за токсичных компонентов или реактивных свойств. В отличие от стандартной электроники, требующей высокой мощности и длительного срока службы, временные системы обычно функционируют в течение более коротких периодов при более низких уровнях мощности. В этой обстановке маломощные методы сбора энергии стали многообещающей альтернативой для временной и биорезорбируемой электроники. Снижая зависимость от опасных материалов и обеспечивая упрощенные, экологически чистые производственные процессы, эти методы решают ключевые проблемы окружающей среды и безопасности. Кроме того, устройства сбора энергии обеспечивают не требующий обслуживания, устойчивый источник питания, что делает их особенно выгодными для суровых или необслуживаемых условий, где полностью временная электроника больше всего нужна.

Среди различных методов сбора энергии, таких как солнечные, термоэлектрические, механические, гигроскопические и радиочастотные системы, микробные топливные элементы (MFC от microbial fuel cell), также известные как микробные биобатареи, выделяются как особенно устойчивые источники энергии для временной электроники. Микробные биобатареи преобразуют ресурсы окружающей среды в электрическую энергию посредством метаболической активности микробов, которые служат экологически чистыми каталитическими материалами. Эти микроорганизмы распространены повсеместно и могут поддерживать свою жизнеспособность за счет обильных возобновляемых окружающих ресурсов. Помимо микробов окружающей среды, даже микроорганизмы кожи и кишечника человека успешно использовались в качестве биокатализаторов, вырабатывающих энергию для питания носимых и съедобных устройств. Более того, микробы в естественных условиях могут адаптироваться к суровым или изменяющимся условиям, разрабатывая надежные стратегии выживания, что делает питаемые микробами биобатареи особенно эффективными в различных средах. Их саморастущие, самоорганизующиеся, самовосстанавливающиеся и самоподдерживающиеся характеристики еще больше повышают непрерывность и надежность генерации электроэнергии, позиционируя питаемые микробами биобатареи как идеальный выбор для питания временных электронных устройств в реальных сценариях.

Многие микробные биобатареи были успешно продемонстрированы в качестве автономных источников питания для временных и других экологически чистых электронных приложений. Однако опасения по поводу микробной цитотоксичности и связанных с ней рисков для здоровья в значительной степени ограничили эти устройства одноразовыми приложениями, обычно требующими сжигания для безопасной утилизации. Это ограничение помешало разработке растворимых или рассасывающихся биобатарей, которые были бы более практичны для здравоохранения и экологических приложений. Хотя микроорганизмы, используемые в этих биобатареях, часто признаются в целом безопасными (GRAS от Generally Recognized as Safe), они все еще могут представлять потенциальные риски — например, если они непреднамеренно выбрасываются в окружающую среду, размножаются в непредвиденных экологических нишах или взаимодействуют с людьми с ослабленным иммунитетом. Следовательно, их использование в биомедицинских и экологических временных системах, где предварительно загруженные микробы будут высвобождаться после запрограммированного периода эксплуатации, остается непрактичным в соответствии с действующими стандартами безопасности и регулирования.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые представили новаторскую растворимую биобатарею, которая ставит во главу угла биобезопасность и биосовместимость, используя коммерчески доступные пробиотики в качестве биокатализаторов по требованию. Используя общеизвестные преимущества безопасности и здоровья этих пробиотических штаммов, биобатарея идеально подходит для временных и биорассасывающихся применений как в медицинских, так и в экологически чувствительных условиях.


Изображение №1

Сконструированная из биоразлагаемых компонентов на водорастворимой бумажной подложке, биобатарея безвредно распадается при воздействии воды (1a). По мере растворения инкапсулированные пробиотики высвобождаются из своих защитных слоев, метаболизируя доступные субстраты для получения значительной электрической мощности, что является первой демонстрацией электрогенных возможностей пробиотиков для выработки электроэнергии. Для обеспечения масштабируемого и недорогого производства устройство можно напечатать или нарисовать карандашом на растворимой бумаге с различной длиной или количеством змеевидных электродов в капиллярных микрофлюидных каналах (1b). Его эксплуатационный срок службы тонко регулируется процессом растворения снизу вверх, что позволяет синхронизировать генерацию энергии в течение предопределенного интервала. Для дальнейшего улучшения точности активации и переходного контроля биобатарея заключена в мембрану, чувствительную к pH, что обеспечивает надежную и устойчивую работу (1c). В частности, мембрана с низкой pH-чувствительностью позволяет активировать ее исключительно в кислых средах, таких как желудок или окружающей среды с кислотным загрязнением. Более того, мембрана с низкой pH-чувствительностью предотвращает преждевременное растворение во время изготовления. Инкапсулируя водорастворимую бумажную подложку, мембрана с низкой pH-чувствительностью обеспечивает структурную целостность даже при нанесении жидких проводящих материалов, таких как полипиррол (PPy), сопряженный с наночастицами ZnO₂, сохраняя целостность электрода для оптимальной производительности питания. После развертывания в условиях низкого pH мембрана избирательно растворяется, активируя пробиотики и электроды своевременно, контролируемым образом и в конечном итоге приводя к полному растворению биобатареи при растворении ее бумажной подложки. Такое целенаправленное воздействие максимизирует выход электроэнергии в пределах предполагаемого рабочего окна, предотвращает нежелательную утечку или преждевременное истощение активных материалов и обеспечивает стабильную высокопроизводительную генерацию электроэнергии.

Результаты исследования

Микробные биобатареи полагаются на четыре основных компонента для работы: анод, покрытый биокатализаторами, резервуар для микробного питания, ионообменная мембрана и катод, содержащий катализаторы. Когда подходящий органический источник пищи метаболизируется микробными биокатализаторами, окислительно-восстановительные реакции генерируют электроны и протоны. Электроны перемещаются по внешней цепи для питания нагрузки, в то время как протоны перемещаются через ионообменную мембрану к катоду, где они рекомбинируют с электронами в каталитической реакции, таким образом замыкая цепь.

Бумага широко применяется для этих систем из-за ее низкой стоимости, гибкости, легкости и большой площади поверхности. Более того, ее собственное капиллярное действие и совместимость с жидкофазными функциональными материалами делают ее особенно выгодной для устройств с питанием от микробов. Утилизация после использования осуществляется путем сжигания, что исключает риск бактериального заражения. Однако обычная целлюлозная бумага, хотя и биосовместима, разлагается относительно медленно — в течение нескольких месяцев, что делает ее непригодной для временных и биорассасывающихся применений.


Изображение №2

Чтобы устранить это ограничение, была изучена возможность изготовления растворимых биобатарей с использованием коммерчески доступной водорастворимой бумаги (SmartSolve Industries), что позволяет получать временную мощность по требованию с помощью настраиваемых скоростей растворения (2a). В качестве доказательства концепции ученые использовали Shewanella oneidensis MR-1, хорошо охарактеризованный экзоэлектроген, для проверки прототипа временной микробной биобатареи. Хотя S. oneidensis широко используется в биобатареях, конечной целью ученых является переход на биобезопасные пробиотики для повышения безопасности и биосовместимости в реальных приложениях.

Временные биобатареи были построены на однослойной водорастворимой бумажной подложке с четырьмя вертикально расположенными функциональными слоями: анод, микрожидкостный резервуар, ионообменная мембрана и катод (2a). Змеевидный микрожидкостный резервуар, простирающийся по всей толщине бумаги, был очерчен гидрофобными восковыми границами, чтобы обеспечить контролируемую деградацию субстрата и одновременное производство энергии при воздействии воды. С одной стороны, нарисованный карандашом графитовый слой служил анодом, в то время как с противоположной стороны ионообменная мембрана на основе воска была стратегически напечатана перед добавлением катода из берлинской лазури (2b).

Безжидкостная природа нарисованного карандашом анода предотвращала растворение бумаги во время изготовления, а восковой слой защищал субстрат от растворения при нанесении жидкого катодного раствора. Клетки S. oneidensis были сначала высушены замораживанием, а затем предварительно инокулированы в узорчатый резервуар, что позволило им реактивироваться после того, как вода проникла в резервуар. Метод высушивания замораживанием сохранил микробную жизнеспособность для длительного хранения, предотвращая деградацию или денатурацию. Во время работы только нижняя часть устройства была погружена в воду (2a). По мере того как вода поднималась вверх по змеевидному каналу микрожидкостного резервуара посредством капиллярного действия, устройство постепенно распадалось, одновременно генерируя электроэнергию. Измерения напряжения и тока в реальном времени непрерывно регистрировались для оценки выходной мощности и подтверждения функциональности этой временной микробной биобатареи на бумажной основе.

В этом исследовании были оценены шесть конструкций микрофлюидных каналов, каждая с различным количеством змеевидных кривых (n = 1–6). Напряжение разомкнутой цепи (OCV от open-circuit voltage) непрерывно контролировалось во время процесса растворения. Как показано на 2c, увеличение длины канала продлевало время работы устройства. Например, устройство с одной змеевидной кривой (n = 1) работало всего 4 минуты, тогда как устройство с шестью кривыми (n = 6) производило напряжение более 22 минут. Для дальнейшего исследования выходного тока устройство n = 6 было протестировано с тремя различными резисторами (100, 10 и 1 кОм). Устройство успешно работало в течение 25 минут и генерировало выходные токи, соответствующие каждому значению резистора. Устройство с n = 6 достигло максимальной мощности 0.5 мкВт при токе 13 мкА. Важно отметить, что низкая производительность, приписываемая высокому внутреннему сопротивлению, в первую очередь возникает из-за непроводящего анодного резервуара и использования карандашного графита в качестве материала электрода. Большинство электрогенных бактерий остаются внутри непроводящего резервуара, в то время как только небольшая часть вблизи графитового электрода может эффективно переносить электроны.

Все компоненты биобатареи, включая субстрат, напечатанные восковые границы и мембраны, нарисованные карандашом электроды и катод из берлинской лазури, были разработаны для распада в воде по мере растворения субстрата. Водорастворимая бумага в основном изготавливается из биоматериалов, таких как волокна древесной массы в сочетании с натуральным целлюлозным компонентом. При контакте с водой целлюлоза растворяется, в результате чего волокна древесной массы рассеиваются на микроволокна. Этот процесс облегчается гидрофильной природой целлюлозы, которая способствует взаимодействию с молекулами воды и приводит к разрушению структуры бумаги. По мере рассеивания волокон достигается экологически чистый способ утилизации. Карандашный графит и берлинская лазурь биосовместимы; однако воск, используемый в этом исследовании, не является строго биосовместимым. Несмотря на это, его минимальное использование снижает потенциальное воздействие на окружающую среду, и другие биосовместимые воски, такие как полученные из пальмового масла или BIOMERE, могут служить подходящей заменой.

В этой работе основное внимание уделялось растворимости биобатареи для временных применений. Бумажный субстрат полностью растворился в течение 2 минут, тогда как границы, напечатанные воском, и нарисованные карандашом каналы потребовали дополнительного времени для распада. На 2d изображен процесс растворения биобатареи n = 6 в воде при комнатной температуре, при этом полный распад произошел в течение ≈ 60 минут.

Предыдущие исследования одноразовых биобатарейных платформ были в основном сосредоточены на специализированных грамотрицательных экзоэлектрогенах, таких как S. oneidensis, Geobacter spermreducens и Pseudomonas aeruginosa. Хотя эти бактерии демонстрируют надежные возможности внеклеточного переноса электронов (EET от extracellular electron transfer) и продемонстрировали практическое применение в микробных топливных элементах, их потенциальная цитотоксичность и экологические риски ограничивают их использование одноразовыми устройствами, требующими полного сжигания. Следовательно, они не подходят для временных, биорассасывающихся устройств, предназначенных для медицинских или экологических отраслей, где безопасная биодеградация без неблагоприятного биологического воздействия имеет важное значение. Например, хотя S. oneidensis и G. sexualreducens не являются патогенными, их способность восстанавливать тяжелые металлы вызывает опасения по поводу безопасности окружающей среды. С другой стороны, P. aeruginosa является условно-патогенным микроорганизмом и поэтому не считается биосовместимым или биобезопасным. Из-за этих ограничений биобезопасности грамотрицательные экзоэлектрогены требуют строгой изоляции и контролируемой утилизации, что делает их непригодными для временных, биорезорбируемых биобатарейных систем, которые должны беспрепятственно разлагаться в организме человека или в природе.

В ответ на эти ограничения грамположительные бактерии, включая спорообразующие пробиотики, появились в качестве многообещающих альтернатив. За последнее десятилетие было идентифицировано все большее число грамположительных бактерий со слабыми, но функциональными возможностями EET. Их превосходная биосовместимость, отсутствие эндотоксинов и установленная безопасность в медицинских и пищевых приложениях делают их весьма привлекательными биокатализаторами для временных биомедицинских и экологических энергетических систем. Bacillus subtilis, хорошо известная пробиотическая и спорообразующая бактерия, недавно продемонстрировала электрогенное поведение и использовалась в биокаталитических приложениях в организме человека, что еще больше подтверждает ее потенциал для временных биоэлектронных устройств. Ее способность оставаться в состоянии покоя в форме спор, выживать в экстремальных условиях и реактивироваться в благоприятных условиях делает ее идеальным кандидатом для биобатарей.

Помимо B. subtilis, более широкий спектр коммерческих пробиотических смесей представляет собой захватывающий новый путь для биокатализа во временных биобатареях. Многие коммерческие пробиотики, включая штаммы Lactobacillus, Bifidobacterium и Streptococcus, уже сформулированы с защитной инкапсуляцией для повышения их стабильности и жизнеспособности во время хранения и желудочно-кишечного транзита. Эти инкапсулированные пробиотики могут служить предварительно упакованными, контролируемо высвобождаемыми биокатализаторами, гарантируя длительную жизнеспособность и электрохимическую активность во временных биобатареях. Важно, что пробиотические смеси, а не отдельные пробиотические штаммы, предлагают более надежную и адаптируемую биоэлектрогенную платформу. Бактерии естественным образом процветают и функционируют в сообществах, а не как изолированные особи, и их коллективное поведение значительно влияет на выживание, адаптацию, экологическое воздействие и, в конечном итоге, на выработку электроэнергии.

Использование этой естественной синергии повышает электрогенную производительность временных биобатарей, одновременно используя присущую им стабильность и функциональность пробиотических формул. Более того, использование коммерчески доступных пробиотических смесей в качестве биокатализаторов оптимизирует процесс изготовления, снижая как сложность, так и стоимость. Эти формулы легкодоступны, хорошо документированы с точки зрения безопасности и оптимизированы для длительной жизнеспособности, что устраняет необходимость в специализированном микробном культивировании.


Изображение №3

В этом исследовании ученые использовали комплекс аналитических и экспериментальных методов для изучения электрогенных свойств коммерчески доступных пробиотических смесей. Поскольку грамположительные бактерии обычно обладают толстой клеточной стенкой из пептидогликана, которая может препятствовать EET, грамположительные пробиотические смеси показали относительно слабые, но отчетливые окислительно-восстановительные пики при измерениях циклической вольтамперометрии (CV от cyclic voltammetry) на углеродных электродах (3a). В частности, наблюдались пики восстановления примерно при -0.6 В и пики окисления примерно при +0.1 В, что подтверждает их электрогенную способность.

Примечательно, что пик восстановления был более выраженным, чем пик окисления, что указывает на то, что электрохимическая реакция в значительной степени необратима. Это говорит о том, что пробиотические смеси либо благоприятствуют восстановленному состоянию, либо быстро потребляют восстановленные виды, прежде чем они смогут повторно окислиться во время обратной развертки. Дополнительным подтверждением медленной и необратимой природы переноса электронов является наблюдение, что разница между окислительно-восстановительными пиками увеличивается с более высокими скоростями сканирования. Кроме того, сдвиг пикового потенциала с увеличением скорости сканирования еще раз указывает на необратимый механизм, соответствующий присущей сложности бактериальных окислительно-восстановительных реакций на электродном интерфейсе. В совокупности эти результаты подчеркивают потенциал грамположительных пробиотических сообществ служить электрогенными агентами, хотя и с ограниченной, но измеримой токогенерирующей способностью в тестируемых условиях.

Модифицированный электрод может существенно улучшить бактериальный EET, предлагая более благоприятные условия для взаимодействия клеток и их окислительно-восстановительных компонентов с поверхностью электрода. Ранее 3D-гигроскопичные электроды на основе гидрогеля ускоряли бактериальную абсорбцию и улучшали электрохимические характеристики с грамположительными клетками, в то время как встроенные наночастицы дополнительно улучшали проводимость и способность бактерий переносить электроны. Однако в экспериментальной временной биобатарее на растворимой бумаге простой графитовый электрод обеспечивал чрезвычайно низкую выходную мощность — даже с хорошо охарактеризованным сильным экзоэлектрогеном.

Чтобы преодолеть это ограничение и улучшить генерацию электроэнергии из пробиотических смесей с более низким экзоэлектрогенным потенциалом, ученые использовали проводящий полимер, полипиррол (PPy), конъюгированный с наночастицами (NP от nanoparticle) ZnO₂ в качестве анодного электрода. PPy способен к контролируемой деградации при определенных условиях, а NP ZnO₂ способствуют биосовместимости, вместе образуя биоразлагаемую электродную систему. Такое сочетание не только улучшает электрохимические характеристики, но и поддерживает временную функциональность, что имеет решающее значение для устойчивых одноразовых биобатарей.

Измерения CV электрода PPy–ZnO₂ показали более обратимое поведение и значительно усиленные окислительно-восстановительные пики по сравнению с углеродным электродом (3b). Эти пики оставались относительно стабильными при различных скоростях сканирования, причем четко наблюдались как восстановительные, так и окислительные пики. Кроме того, композит PPy–ZnO₂ продемонстрировал превосходные электрохимические характеристики благодаря своему собственному окислительно-восстановительному отклику по сравнению с одним PPy (3c). Когда пробиотические смеси были введены на электрод PPy–ZnO₂, появились новые окислительно-восстановительные пики, отличные от пиков самого электрода, что указывает на надежную электрогенную активность пробиотиков на этом новом анодном материале (3c). Электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS от electrochemical impedance spectroscopy) дополнительно выявила более низкое сопротивление переносу заряда (R_ct), что свидетельствует об улучшенном переносе электронов на интерфейсе электрода и подтверждает надежную электрогенную способность этих пробиотических клеток на композитном электроде Ppy–ZnO₂ (3d). В поддержку этих результатов изображения, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM от scanning electron microscopy), показали плотный слой пробиотических клеток, находящихся в прямом контакте с пористой композитной поверхностью (3e, 3f), что обеспечивает четкую механистическую основу для улучшения производительности.

Пробиотическая смесь, рассмотренная в этом исследовании, включает 15 штаммов, в основном из родов Lactobacillus и Bifidobacterium, а также Streptococcus thermophilus, Pediococcus pentosaceus, Propionibacterium freudenreichii и Saccharomyces boulardii. Среди них виды Lactobacillus, как известно, демонстрируют слабые возможности переноса электронов, тогда как электрогенные свойства других штаммов еще не полностью изучены. Следовательно, предполагается, что штаммы Lactobacillus в первую очередь ответственны за выработку электроэнергии, в то время как остальные штаммы, вероятно, усиливают этот процесс, производя окислительно-восстановительные кофакторы, такие как NADH и флавины.


Изображение №4

Первоначальная пробная концепция растворимой бумажной биобатареи продемонстрировала жизнеспособность устройств с кратковременной мощностью, но также выявила несколько практических ограничений. В частности, выбор материалов и процессы изготовления были серьезно ограничены необходимостью предотвращения преждевременного распада водорастворимого субстрата, особенно при работе с жидкофазными анодами PPy–ZnO₂ или непосредственном нанесении водных пробиотических образцов. Хотя эта ранняя конструкция успешно обеспечивала кратковременную выходную мощность, ее срок службы был ограничен менее чем 30 минутами, и устройство обеспечивало минимальный контроль над активацией во влажных условиях.

Чтобы преодолеть эти ограничения, растворимая бумага была инкапсулирована в EUDRAGIT EPO, полимер, чувствительный к низкому pH (1c и 4a). Эта инкапсуляция защищает от непреднамеренного растворения во время изготовления, позволяя интегрировать высокопроизводительные материалы на водной основе. Дополнительным преимуществом инкапсуляции с низкой чувствительностью к pH является возможность более точно запускать активацию или растворение устройства. Растворимая бумага была сначала покрыта полимером, чувствительным к pH, после чего отдельные компоненты устройства были нанесены сверху (4b(i)). Дополнительное внешнее покрытие может быть нанесено на все устройство, чтобы продлить время работы (4b(ii)).

Коммерческие пробиотические штаммы, используемые в этой работе, изначально покрыты нейтральным покрытием, чувствительным к pH, чтобы защитить их от желудочной кислоты и гарантировать, что они достигнут кишечника живыми. Для высвобождения этих пробиотиков из их защитного слоя требовался важный дополнительный шаг. В частности, микробы были предварительно инкубированы в нейтральной среде Luria-Broth (LB), которая удалила исходное покрытие, обеспечив их селективную активность в последующих средах с низким pH. После этого шага пробиотики были смешаны с анодным материалом PPy–ZnO₂ и нанесены на устройство.

Однако вертикальное расположение электродов, как в исходной конфигурации, больше не представляется возможным, поскольку толстый pH-чувствительный полимер, инкапсулирующий бумагу, не может функционировать как ионообменная мембрана между противоположно расположенными электродами (2a). Чтобы преодолеть это ограничение, ученые использовали горизонтальную интегрированную схему (4a), где все компоненты расположены на одной стороне подложки. В этой конфигурации высокопроизводительный анод PPy–ZnO₂, содержащий пробиотические смеси, соединен с катодом берлинская лазурь–MnO₂, разделенным мембраной Nafion. MnO₂ в катоде усиливает электрохимическое восстановление, действуя как кислородный катод (4c, 4d), и может быть химически или биологически восстановлен до ионов марганца, что улучшает биосовместимость.

Хотя Nafion не является ни биоразлагаемым, ни полностью биосовместимым, включение небольшого количества между электродами позволяет всему устройству распадаться после использования, эффективно уравновешивая улучшенные электрохимические характеристики с временной функциональностью. Этот интегрированный подход также значительно повышает гибкость конструкции за счет регулировки и масштабирования количества электродных ножек (4a). Чтобы подтвердить эффективность горизонтальной конфигурации с новыми интегрированными материалами для генерации электроэнергии и контролируемого срока службы, ученые протестировали устройство с четырьмя ножками в растворе с низким pH (4a(i)). Устройство без инкапсуляции полимера с низким pH перестало функционировать в воде в течение 15 минут (2b). Включение одного слоя чувствительной к pH мембраны увеличило время работы до 75 минут — приблизительно пятикратное улучшение (4b(i)). Дополнительное внешнее покрытие, нанесенное на все устройство, увеличило время работы до 100 минут; однако дополнительные диффузионные барьеры, созданные покрытием, немного снизили пиковую производительность.


Изображение №5

Выше показано временное поведение биобатареи при погружении в раствор с pH 3.5 по сравнению с водопроводной водой с нейтральным pH. В водопроводной воде инкапсулированная биобатарея остается неповрежденной и защищенной слоем, чувствительным к pH. Напротив, в кислых условиях (pH 3.5) устройство постепенно распадается на мелкие фрагменты в течение 160 минут. Сначала растворяется защитный слой, обнажая биобатарею, активируя ее и инициируя генерацию энергии. Затем распадается бумажная подложка, а вместе с ней и все оставшиеся компоненты. Кроме того, анализ растворенных материалов методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS от energy-dispersive Xray spectroscopy) через 160 минут подтвердил наличие ключевых компонентов биобатареи, включая цинк (Zn), марганец (Mn), углерод © и кислород (O), что подтверждает полное растворение устройства в растворе.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые, вдохновленные фантастическими устройствами из кинематографа, создали батарею, которая разлагается после использования.

Данное исследование является одним из многих, которые работают в рамках временной электроники, т. е. устройств, которые после выполнения своих функций самоуничтожаются, распадаясь на безопасные для человека и окружающей среды компоненты. В этой области было достигнуто немало успехов, но элементы питания все же оставались преградой для полноценной реализации концепции.

Большим потенциалом для временной электроники обладают биобатареи, созданные на основе живых микроорганизмов, а именно пробиотиков. Использование таких бактерий является безопасным, но малоэффективным ввиду их слабой генерации энергии. Потому для создания рабочей биобатареи потребовалось использование проводящего полимера полипиррола (PPy), конъюгированного с наночастицами ZnO₂ в качестве анодного электрода. Покрытие растворимой бумаги полимером с низким pH-чувствительностью увеличило выходное напряжение и продолжительность работы батареи. Объемы выработанной энергии были незначительны, однако, как отмечают ученые, этот результат является доказательством концепции. Стоит отметить, что в разработке были использованы смеси пробиотиков. Следовательно, более детальное изучение свойств каждого из них с последующим подбором наиболее эффективной комбинации может значительно улучшить производительность временной батареи.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?