Разработка биоэлектронных систем, которые интегрируют устойчивые технологии сбора энергии, в частности, микробные топливные элементы
Инженерные инновации обычно требуют долгих часов работы в лаборатории, с большим количеством проб и ошибок в ходе экспериментов, прежде чем найти лучшее решение.
Но иногда, если вам повезет, ответ может быть прямо у вас под носом — или, в данном случае, под вашими ногами.
Профессор Бингемтонского университета Сокхын «Шон» Чой за последнее десятилетие разработал серию биобатарей, работающих на бактериях, основываясь на том, что он узнал, чтобы улучшить следующую итерацию. Самым большим ограничением является не его воображение — он всегда жонглирует несколькими проектами одновременно, — а материалы, с которыми ему приходится работать.
Когда Чой, преподаватель факультета электротехники и вычислительной техники Колледжа инженерии и прикладных наук Томаса Уотсона, понадобился сотрудник, который мог бы создать специализированный компонент из нержавеющей стали, он нашел его прямо внизу от своего офиса в Инженерном и научном корпусе Бингемтона.
Оказывается, доцент Дехао Лю с факультета машиностроения Ватсона является экспертом в технологии лазерного сплавления порошкового слоя (LPBF), новом методе печати микроархитектур из нержавеющей стали.
«LPBF идеально подходит для биобатарей, потому что он позволяет создавать высокоточные, настраиваемые 3D-структуры со сложной геометрией, необходимые для максимизации площади поверхности и плотности энергии», — сказал Лю.
3D-печать электродов из нержавеющей стали. а) Концептуальная иллюстрация процесса 3D-печати для изготовления электродов из нержавеющей стали. б) Фотографии напечатанных на 3D-принтере конструкций из нержавеющей стали различных размеров и с разных ракурсов, сопровождаемые таблицей с подробным описанием их размеров и объемов.
Недавно они опубликовали статью в журнале Advanced Energy & Sustainability Research, в которой изложили свои выводы, которые могут помочь в питании небольших автономных устройств, таких как датчики для Интернета вещей, которые все чаще соединяют все в нашей жизни.
Другими исследователями проекта являются доцент ECE Анвар Эльхадад, доктор философии; Ян «Лекси» Гао (его нынешний аспирант); и аспиранты Лю Гуанфа Ли и Цзяци Ян.
«Я так рада этому сотрудничеству», — сказала Чой. «Это делает эту итерацию биобатареи очень значимой для меня».
Эндоспоры служат топливом для электрохимической реакции, в результате которой генерируется электрический ток. Эти спящие формы бактерий демонстрируют исключительную устойчивость к стрессам окружающей среды и активируются при благоприятных условиях.
Для функционирования биобатареи необходимы три компонента: положительный электрод (катод), отрицательный электрод (анод) и мембрана, где ионы, обменивающиеся между ними, генерируют электрический ток. Для достижения наилучшей выходной мощности анод — там, где находятся бактерии — должен быть трехмерным, чтобы организмы могли колонизировать и процветать в минимальном пространстве.
«Двумерный анод неэффективен», — сказал Чой. «Питательные вещества не будут эффективно доставляться бактериям, и их отходы не смогут эффективно выводиться».
Усложняет производство 3D-анодов то, что материалы на основе углерода или полимеров имеют низкую электропроводность и часто слишком хрупки для повседневного использования. Их процессы микропроизводства также требуют высоких температур, которые могут быть смертельно опасными для бактерий.
«Два года назад мы начали использовать сетку из нержавеющей стали в качестве анода, потому что ее проводимость действительно хорошая, и она очень прочная структурно», — сказал Чой. «Нам удалось интегрировать микробный топливный элемент в электронику. Проблема с коммерчески доступной сеткой заключается в том, что мы не можем контролировать ее пористость и шероховатость. Мы просто покупали его, а затем добавляли бактериальные клетки».
Процесс LPBF наносит слой металлического порошка, плавит его, а затем затвердевает с помощью лазера для создания твердого слоя металла, и эти двумерные слои соединяются для создания 3D-компонентов. Детали для напечатанного изделия могут быть спланированы вплоть до наноскопического уровня.
«Мы увидели здесь потенциал», — сказал Чой. «Затем мы подготовили другие компоненты с помощью 3D-печати, такие как уплотнительная крышка и катодная часть, и просто собрали их, как кубики Lego».
Биобатареи могут быть расположены последовательно или параллельно для увеличения выходной мощности, при этом шесть батарей достигают мощности почти 1 милливатт — этого достаточно для питания 3,2-дюймового тонкопленочного транзисторного жидкокристаллического дисплея. Это один из самых высоких электрических выходов, которых Чой достиг среди своих конструкций биобатарей.
Чой отметил, что компоненты из нержавеющей стали имеют еще одно преимущество: «Вы можете отделить бактериальные клетки, а затем повторно использовать их, и после ряда использований мы показали, что уровни мощности сохраняются».
«Вдохновляющие» инновации
Для Эльхадада эта последняя статья напрямую вытекает из докторского исследования, которое он провел, будучи студентом Чоя.
«Моя докторская диссертация была посвящена разработке биоэлектронных систем, которые интегрируют устойчивые технологии сбора энергии, в частности, микробные топливные элементы», — сказал он. «Это исследование основано на этом фундаменте, решая некоторые из ключевых проблем, с которыми я столкнулся во время работы над диссертацией, в частности, потребность в масштабируемых, высокопроизводительных и структурно прочных электродных материалах».
Эльхадад добавил, что работа с Чхве «вдохновляет и интеллектуально стимулирует».
«Он поощряет творчество и раздвигает границы возможного, особенно когда речь идет об интеграции биологии с электроникой», — сказал он. «Наше сотрудничество очень практическое — от разработки экспериментов до устранения неполадок материалов и технологий изготовления. У него есть четкое видение, но он всегда открыт для новых идей, что делает нашу работу одновременно структурированной и инновационной».
Заглядывая в будущее, команда из Бингемтона хотела бы разработать единый метод печати для компонентов биобатареи, а не создавать каждый из них по отдельности. Еще одна цель заключается в улучшении сбора энергии с помощью системы управления питанием для контроля зарядки и разрядки батареи, аналогичной солнечному элементу.