Инженерные инновации, как правило, требуют долгих часов работы в лаборатории, множества проб и ошибок в ходе экспериментов, прежде чем будет найдено наилучшее решение.
Но иногда, если вам повезет, ответ может оказаться прямо у вас под носом — или, как в данном случае, под ногами.
Профессор Бингемтонского университета Сокхын «Шон» Чхве за последнее десятилетие разработал серию биобатарей на основе бактерий, опираясь на полученные знания и совершенствуя их для следующих версий. Главное ограничение — не его воображение (ему постоянно приходится работать над несколькими проектами одновременно), а материалы, с которыми приходится работать.
Когда Чою — преподавателю кафедры электротехники и вычислительной техники Колледжа инженерии и прикладных наук имени Томаса Дж. Уотсона — понадобился сотрудник, который мог бы создать специализированный компонент из нержавеющей стали, он нашел человека, который работал этажом ниже его кабинета в здании инженерного и научного факультета Бингемтона.
Оказывается, доцент кафедры машиностроения Уотсоновского университета Дэхао Лю является экспертом в технологии лазерной порошковой печати (LPBF) — новом методе печати микроархитектур из нержавеющей стали.
«LPBF идеально подходит для биобатарей, поскольку он позволяет создавать высокоточные, настраиваемые трехмерные структуры со сложной геометрией, что необходимо для максимального увеличения площади поверхности и плотности энергии », — сказал Лю.
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, который все больше связывает все в нашей жизни.
Другими исследователями, работающими над проектом, являются доцент ECE, доктор философии Анвар Эльхадад; Ян «Лекси» Гао (его нынешний аспирант); и аспиранты Лю, Гуанфа Ли и Цзяци Ян.
«Я так рад этому сотрудничеству, — сказал Чхве. — Оно делает эту версию биобатареи очень значимой для меня».
Эндоспоры служат источником энергии для электрохимической реакции, генерирующей электрический ток . Эти покоящиеся формы бактерий демонстрируют исключительную устойчивость к стрессам окружающей среды и активируются при наступлении благоприятных условий.
Для работы биобатареи необходимы три компонента: положительный электрод (катод), отрицательный электрод (анод) и мембрана, где ионообмен между ними генерирует электрический ток. Для максимальной выходной мощности анод, где находятся бактерии, должен быть трёхмерным, чтобы организмы могли колонизировать и размножаться в минимальном пространстве.
«Двумерный анод неэффективен, — сказал Чой. — Питательные вещества не будут эффективно доставляться к бактериям, а их отходы не смогут эффективно выводиться».
Производство 3D-анодов осложняется тем, что материалы на основе углерода или полимеров обладают низкой электропроводностью и зачастую слишком хрупки для повседневного использования. Процессы их микропроизводства также требуют высоких температур, которые могут быть смертельно опасны для бактерий.
«Два года назад мы начали использовать сетку из нержавеющей стали в качестве анода, поскольку она обладает очень хорошей проводимостью и очень прочной структурой», — сказал Чой. «Нам удалось успешно интегрировать микробный топливный элемент в подобные электронные устройства. Проблема с коммерчески доступной сеткой заключается в том, что мы не можем контролировать её пористость и шероховатость. Мы просто покупали её и помещали в неё бактериальные клетки».
Процесс LPBF предполагает нанесение слоя металлического порошка, его плавление и последующее затвердевание с помощью лазера для создания сплошного слоя металла, после чего эти двухмерные слои соединяются для создания трёхмерных компонентов. Детали печатаемого изделия можно проектировать вплоть до наноскопического уровня.
«Мы увидели здесь потенциал», — сказал Чхве. «Затем мы изготовили другие компоненты с помощью 3D-печати, например, герметичную крышку и катодную часть, и просто собрали их, как кубики Lego».
Биобатареи можно соединять последовательно или параллельно для увеличения выходной мощности. Шесть батарей обеспечивают мощность почти 1 милливатт, чего достаточно для питания 3,2-дюймового жидкокристаллического дисплея на тонкоплёночных транзисторах. Это один из самых высоких показателей выходной мощности, достигнутых Чоем среди его биобатарей.
Чой отметил, что у компонентов из нержавеющей стали есть еще одно преимущество: «Можно отделить бактериальные клетки, а затем использовать их повторно, и после нескольких применений мы показали, что уровень мощности сохраняется».
«Вдохновляющие» инновации
По мнению Элхадада, эта последняя работа является прямым следствием докторского исследования, которое он проводил, будучи учеником Чоя.
«Моя докторская диссертация посвящена разработке биоэлектронных систем, интегрирующих устойчивые технологии сбора энергии, в частности, микробные топливные элементы», — сказал он. «Данное исследование опирается на эту основу и решает некоторые ключевые проблемы, с которыми я столкнулся в ходе работы над диссертацией, — в частности, потребность в масштабируемых, высокопроизводительных и структурно прочных электродных материалах».
Эльхадад добавил, что работа с Чоем «вдохновляет и интеллектуально стимулирует».
«Он поощряет творческий подход и раздвигает границы возможного, особенно когда речь идёт об интеграции биологии и электроники», — сказал он. «Наше сотрудничество очень практично — от разработки экспериментов до поиска неисправностей в материалах и методах производства. У него чёткое видение, но он всегда открыт для новых идей, что делает нашу работу одновременно структурированной и инновационной».
В перспективе команда из Бингемтона планирует разработать унифицированный метод печати для компонентов биобатареи, а не создавать каждую из них по отдельности. Другая цель — улучшить сбор энергии с помощью системы управления питанием, которая будет контролировать зарядку и разрядку батареи, подобно солнечной батарее.
