Nel film The Matrix, gli esseri umani docili e semi-coscienti sono (spoiler) usati come batterie per una grande potenza meccanica. Mentre questo principio è ovviamente inverosimile, le biobatterie sono reali. Nell'ultimo numero di Advanced Science News, gli scienziati dell'Università di Stato di New York-Binghamton descrivono un nuovo modo di usare i batteri come batterie per piccoli sensori. Sebbene le biobatterie siano state utilizzate per l'elettronica a bassa potenza, non sono mai state abbastanza semplici o efficienti per un uso diffuso. Quindi il gruppo Binghamton ha sviluppato un nuovo modo più semplice per creare e distribuire celle a combustibile microbiche, note come MFC, utilizzando un singolo foglio di carta e batteri liofilizzati che possono essere attivati con solo un po 'di saliva.
Uno scopo importante degli MFC, in particolare quelli basati su carta, è quello di consentire l'uso di elettronica a bassa potenza, in particolare i sensori, quando una batteria normale è sia eccessiva che proibitiva in termini di costi. Questi non caricheranno i telefoni di nessuno, ma forniranno energia sufficiente per far funzionare un LED, o più probabilmente, sensori diagnostici che potrebbero essere utilizzati per rilevare l'HIV o il cancro, monitorare il glucosio e altro.
"[MFC] può essere utilizzato in ambienti a risorse limitate, come i paesi in via di sviluppo", afferma il creatore Seokheun "Sean" Choi, un professore assistente di ingegneria elettrica e informatica a Binghamton. “Tuttavia, il problema è il potere. Non possiamo usare batterie disponibili in commercio o recenti tecnologie di raccolta di energia perché sono troppo dispendiose e troppo costose per l'uso singolo, biosensori usa e getta ".
Shewanella oneidensis, i batteri utilizzati dal team di Choi, viene spesso utilizzato nelle nanotecnologie, grazie alla sua capacità di ridurre i metalli e vivere in ambienti poveri di ossigeno. È quella riduzione, in cui gli ioni positivi sono separati da quelli negativi, che rende utili le cellule allungate a due micrometri nelle biobatterie: il risultato sono particelle cariche libere che possono essere usate come energia.
Come una normale batteria, una biobatteria funziona separando un terminale caricato positivamente (chiamato catodo) da un terminale caricato negativamente (anodo). Mentre i batteri digeriscono una fonte di cibo (solitamente glucosio), le sue funzioni respiratorie rilasciano elettroni e protoni, che possono essere usati come energia.
"Se progettiamo il loro ambiente in modo che l'ossigeno sia limitato e quindi forniamo un elettrodo solido, allora possiamo catturare quegli elettroni", afferma Choi.
L'innovazione di Choi ha a che fare con la struttura degli MFC cartacei. Come, ha chiesto, è possibile realizzare una biobatteria cartacea economica in grado di alimentare semplici sensori elettronici, ma che è anche facile da usare e trasportare? La sua soluzione impiegava alcune nuove tecniche, principalmente la liofilizzazione e la piegatura.
La struttura della batteria è formata da un foglio di carta per cromatografia, divisa in una griglia di pieghe. Una sezione, fatta di nitrato d'argento e coperta di cera, forma il catodo. Un'altra sezione del polimero conduttivo funge da anodo e un terzo contiene un serbatoio per i batteri e la sua fonte di energia. Choi precarica il serbatoio con batteri e li congela. In questo modo, possono essere trasportati o conservati per un massimo di due settimane.
Per usarlo, basta sputare nel serbatoio e piegarlo al centro del catodo e dell'anodo. Sì, sputa; basta un po 'di materiale organico per far battere i batteri e la saliva contiene glucosio. Potrebbe essere qualsiasi cosa, ma la saliva è generalmente disponibile e meno discutibile rispetto ad alcune delle alternative.
Il lavoro di Choi fa parte del crescente e importante campo della papertronica. (Università di Binghamton) Aaron Mazzeo, un assistente professore di ingegneria meccanica e aerospaziale presso Rutgers, realizza la papertronica per interfacce uomo-macchina flessibili - cose come dispositivi di carta indossabili per monitorare il sudore del cortisolo, un indicatore di stress. Una batteria come quella di Choi potrebbe essere la fonte di energia di cui ha bisogno.
"Continueremo ad avere la sfida continua di fornire energia a questi dispositivi", afferma Mazzeo. “Avere energia elettrica ti consente di fare la diagnosi, ma potrebbe anche amplificare potenzialmente i segnali, quindi potresti essere in grado di rilevare quantità minori. Questa è una via d'uscita in futuro, ma questo tipo di cose potrebbe essere utile non solo per misurare il cortisolo, ma forse anche cose come il colesterolo o l'alcol o altri marcatori clinicamente rilevanti nel sangue, nelle urine o nel sudore. "
Sia il lavoro di Mazzeo che quello di Choi fanno parte del crescente e importante campo della papertronica. Gli scienziati stanno trovando modi più e migliori per mettere su carta circuiti, condensatori, batterie e persino celle solari e interfacce utente (come fa il gruppo di Mazzeo). Prima del lavoro di Choi, le batterie che hanno eseguito tutte queste applicazioni sono state complicate questioni costituite da più fogli di carta che devono essere abbinati con precisione.
"Penso che ci sia un reale potenziale in questo campo per contribuire ai continui sforzi della società in termini di stabilità ambientale, sicurezza, comunicazione, salute e prestazioni", afferma Mazzeo.
Ma c'è sempre la necessità di alimentare quell'elettronica, quindi Choi vuole ancora rendere le sue batterie più potenti ed efficienti, e per farlo sta studiando diversi modi per piegarle e impilarle, oltre a progettare batteri per essere migliori produttori di energia.
