دانشمندان چینی توانستند با استفاده از میکروارگانیسم‌های فعال الکتریکی، یک باتری زیستی کوچک و قابل حمل توسعه دهند که امکان کنترل دقیق تحریکات بیوالکتریکی و سیگنال‌های فشار خون فیزیولوژیکی را فراهم می‌کند. این دستاورد، دریچه‌ای نو به سوی ذخیره‌سازی پایدار انرژی باز می‌کند. در ادامه این کشف جالب، با شهرسخت‌افزار همراه باشید.
به گفته وب‌سایت InterestingEngineering، در دل این نوآوری، محققان از فعالیت متابولیک باکتری‌ها برای تولید الکتریسیته بهره برده‌اند که نه تنها امکان خودشارژ شدن باتری تا 10 چرخه (Cycle) را فراهم می‌کند، بلکه به گفته آنها، این باتری زیستی می‌تواند به عنوان یک شبه‌باتری با راندمان کولمبی بیش از 99.5% در 50 چرخه شارژ/تخلیه عمل کند که نشان‌دهنده اتلاف انرژی بسیار کم است.
حفظ زیست‌پذیری بالای باکتری‌ها
یکی از نکات قابل توجه در این باتری زیستی، حفظ زیست‌پذیری بالای میکروارگانیسم‌های تولیدکننده الکتریسیته است. طبق گزارش محققان، بیش از 70 درصد باکتری‌ها در طول فرآیند تولید انرژی زنده و فعال باقی می‌مانند و این میزان در پایان کارکرد باتری به 97.6 درصد می‌رسد. این زیست‌پذیری بالا تضمین‌کننده عملکرد پایدار و طولانی‌مدت باتری خودشارژ خواهد بود.
ساختار هیدروژلی و چاپ سه‌بعدی
این پژوهش که در مجله Advanced Materials منتشر شده است، جزئیات ساخت یک باتری زیستی کوچک و قابل حمل را شرح می‌دهد که از هیدروژل‌های زنده حاوی بیوفیلم‌های رسانا محصور در یک ماتریس آلژینات برای تحریک عصبی استفاده می‌کند. این هیدروژل‌ها قابلیت چاپ سه‌بعدی در شکل‌های سفارشی را دارند و ویژگی‌های فعال بیولوژیکی خود، از جمله فعالیت الکتریکی تسهیل‌کننده تولید الکترون و کاهش اکسید گرافن را حفظ می‌کنند.
گامی به سوی انرژی پایدار
محققان همچنین خاطرنشان کرده‌اند که بهره‌گیری از مواد زنده مهندسی‌شده برای کاربردهای انرژی، مسیری امیدوارکننده به سوی تبدیل و ذخیره‌سازی پایدار انرژی است و باتری‌های زیستی به عنوان یک جهت‌گیری محوری برای تامین انرژی پایدار محسوب می‌شوند. این باتری زیستی برای شارژ خازن‌ها که سپس یک منبع انرژی الکتریکی دقیق و کنترل‌شده را برای تحریک موثر عصبی فراهم می‌کنند، حیاتی خواهد بود.
طراحی الهام گرفته از باتری‌های لیتیوم-یون
این باتری زیستی کوچک (20 میلی‌متر قطر، 3.2 میلی‌متر ارتفاع) با الهام از ساخت باتری‌های لیتیوم-یون و با استفاده از هیدروژل زنده به عنوان جوهر بیوآند، هیدروژل آلژینات حاوی K3[Fe(CN)6] به عنوان جوهر کاتد و یک غشاء Nafion به عنوان غشاء تبادل یونی توسعه داده شده است.
استفاده از بیوفیلم‌های Shewanella oneidensis MR-1
این تیم، بیوفیلم‌های Shewanella oneidensis MR-1 را درون هیدروژل‌های آلژینات محصور کردند تا هیدروژل‌های زنده‌ای تولید کنند که می‌توانند به صورت سه‌بعدی در شکل‌های مشخص برای ساخت سفارشی چاپ شوند.
عملکرد و مقایسه با باتری‌های لیتیوم-یون
در این مطالعه، محققان نشان دادند که این باتری زیستی ظرفیت ویژه 0.4 میلی‌آمپر ساعت بر گرم، حداکثر چگالی توان حدود 8.31 میکرووات بر سانتی‌متر مربع و چگالی انرژی 0.008 وات ساعت بر لیتر را از خود نشان می‌دهد.
با این حال، آنها تاکید کردند که اگرچه این مقادیر از باتری‌های لیتیوم-یون سنتی کمتر است، اما این باتری زیستی با اجتناب از استفاده از مواد خام حیاتی مانند کبالت و لیتیوم و همچنین اجزای خطرناک برای محیط زیست مانند منگنز و الکترولیت‌های آلی، یک جایگزین انرژی پایدار را ارائه می‌دهد.
ساخت باتری با پوسته استاندارد 2032
محققان هیدروژل زنده را در یک پوسته باتری استاندارد 2032 ساختند و با موفقیت این باتری با قابلیت خودشارژشوندگی را ایجاد کردند. به گفته آنها ، این دستگاه عملکرد الکتروشیمیایی قابل توجهی با راندمان کولمبی 99.5% نشان می‌دهد و زیست‌پذیری سلولی بالایی بیش از 90% را پس از عملکرد حفظ می‌کند.
کاربردهای بالقوه
توان این دستگاه می‌تواند برای تحریک عصبی به منظور کنترل دقیق تحریکات بیوالکتریکی و سیگنال‌های فشار خون فیزیولوژیکی مورد استفاده قرار گیرد. بر اساس این مطالعه، این نوآوری همچنین می‌تواند از دستگاه‌های بیوانرژی قابل حمل با پتانسیل فراوان برای پیشرفت‌های آینده در فناوری‌های انرژی پایدار کاربرد داشته باشد.
در همین رابطه بخوانید:
– نسل جدید باتری‌ها برای تولید انرژی پاک، این باتری‌ها به جای برق، با غذا کار می‌کنند!
– کشف جدید پژوهشگران کره‌ای؛ با این ترفند ساده عمر باتری ها را 19 برابر بیشتر کنید
کنترل دقیق سیگنال‌های عصبی
در این مطالعه، محققان با هدف قرار دادن عصب سیاتیک و واگ، کنترل دقیق آن بر تحریکات بیوالکتریکی و سیگنال‌های فشار خون فیزیولوژیکی را نشان دادند. به گفته آنها، این تکنیک تحریک دقیق، نویدبخش توسعه روش‌های فیزیوتراپی نوین است.
source