آنچه شبیه به یک تکه کاغذ تاخورده به نظر می‌رسد در واقع نوعی باتری است که بوسیله باکتری کار می‌کند.

مهندسان بخش شمالی نیویورک نوعی دستگاه کاغذی تاخورده را ابداع کرده‌اند که شبیه به یک طرح هنری تزئینی است. اما اشتباه نکنید. این اختراع در واقع نوعی باتری مبتنی بر کاغذ است. خیر، این باتری هیچ شباهتی به هیچکدام از باتریهای فلزی بکار رفته در چراغ قوه‌ها و گوشی‌های هوشمند ندارد. این وسیله‌ی جایگزین برای وسایل الکترونیکی، مبتنی بر کاغذ است. و قدمی رو به جلو در حوزه سیستم‌های الکترونیکی مبتنی بر کاغذ یا به اختصار الکترونیک کاغذی (papertronic) به حساب می‌آید. در این سیستم‌ها، باتری می‌تواند بر روی یک صفحه چاپ شود. و قدرت یا توان الکتریکی مورد نیاز این باتری از باکتریهای زنده بدست می‌آید.

به گفته‌ی سوک هیون چوی سرپرست تیم تحقیقاتی، ساخت ادوات الکترونیکی مبتنی بر کاغذ، ساده بوده و ارزان تمام می‌شود. او مهندس دانشگاه بینگهامتون است که جزئی از سیستم دانشگاه‌ ایالتی نیویورک به حساب می‌آید. وی می‌افزاید که این باتریها همچنین از قابلیت انعطاف پذیری برخوردار بوده و یکبار مصرف می‌باشند و به دلیل آنکه بواسطه میکروبها توان و انرژی خود را بدست می‌آورند، نیازی به خروجی الکتریکی جهت شارژ مجدد ندارند. تنها نیاز آنها به باکتریهای بیشتری است که می‌توانند در هر مکانی از جمله آب کثیف یافت شوند.

اکثر باکتریها از مواد شیمیایی جهت تولید الکتریسته استفاده می‌کنند. چوی عنوان می‌کند که جایگزین ساختن باکتریها می‌تواند یک مزیت به حساب آید. او خاطر نشان می‌کند که «آنها ارزان، خود ترمیم و خود نگهدارنده هستند». کاری که باتریهای مبتنی بر کاغذ نمی‌توانند انجام دهند تولید توان الکتریکی زیاد است. با این حال مقدار کافی توان الکتریکی جهت به کار انداختن ادوات کوچک در مکانهای دور افتاده و خطرناکی مانند میدان نبرد تولید می‌کنند. همچنین ممکن است در پزشکی بتوان از آنها استفاده کرد. به عنوان مثال، آنها ممکن است بتوانند توان الکتریکی مورد نیاز حسگرهای بسیار کوچکی مانند انواع مورد استفاده جهت اندازه گیری قند خون را  تأمین سازند.

چوی و یانگ گائو که او نیز در دانشگاه بینگهامتون مشغول به فعالیت است، در خصوص اختراع جدید خود در ژانویه 2017 در مجله فناوری پیشرفته مواد، توضیحاتی ارائه دادند.
میکروبها با جذب مواد غذایی جریان کوچکی الکتریسیته تولید می‌کنندچنین دستگاه‌هایی بر اساس مشاهدات صورت گرفته‌ی متعلق به بیش از یک قرن پیش طراحی شده‌اند. بر این اساس مشخص شده است که این میکروبها با جذب مواد غذایی جریان کوچکی الکتریسیته تولید می‌کنند. دانشمندان باتریهای زیستی مبتنی بر این اصل را به عنوان سلولهای سوختی میکروبی می‌شناسند.

یک سلول یا پیل سوختی همانند یک باتری معمولی، الکتریسته تولید می‌کند. اما یک باتری معمولی هنگامی که واکنش‌های شیمیایی داخلی آن به پایان می‌رسد، تولید الکتریسته را متوقف می‌سازد. یک پیل سوختی از سوختی استفاده می‌کند که بتواند تجدید پذیر باشد. در این مورد، باکتریها به عنوان سوخت عمل می‌کنند. با تجدید میکروبهای بیشتر در صورت نیاز، دانشمندان می‌توانند کارکرد این پیل‌های سوختی را حفظ کنند.
 

مزایای سیستم‌های الکترونیک مبتنی بر کاغذ

ادوات الکترونیکی معمولی اغلب حاوی مواد سمی هستند.  به گفته‌ی دِرک لاولی، باتریهای باکتریایی مبتنی بر کاغذ می‌توانند گزینه‌ای بی‌خطرتر به حساب آیند. این  دانشمند زیست شناس در دانشگاه ماساچوست واقع در شهر امهرست بر روی باکتری و باتری مشغول به کار است. یک باتری که توان آن بوسیله میکروبها تأمین می‌شود ممکن است هرگز توان الکتریکی خود را از دست ندهد. او عنوان می‌کند که «این باتری تا زمانی که باکتری غذای کافی در دسترس داشته باشد، می‌تواند به کار خود ادامه دهد».
باتریهای معمولی انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنندباتریهای معمولی انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. آنها دارای سه قطعه اصلی هستند. یکی از آنها آند است که ذرات باردار منفی تحت عنوان الکترون‌ها را تولید می‌کند. (به جریان افتادن الکترونها الکتریسیته تولید می‌نماید). دیگری کاتد نام دارد که الکترونها را از آند دریافت می‌کند. سومین قطعه یک الکترولیت شیمیایی است که معمولاً بین آند و کاتد یافت می‌شود. ایجاد واکنشهای شیمیایی در میان مواد موجب می‌شود الکترونها آند را ترک کنند. آنها در امتداد یک رسانا به سوی کاتد حرکت می‌کنند. و از آنجا می‌توانند جهت به کار انداختن یک وسیله متصل شده به آن حرکت نمایند.

دانشمندان در باتری ساخته شده توسط تیم چوی، از موم جهت نگاه داشتن قطعات در جای خود استفاده کردند. این موم همچنین موجب آب گریز شدن کاغذ می‌شد. (به این معنا که آب به درون آن نفوذ نکرده و آن را ضعیف نمی‌سازد). آند این باتری، یک ماده رسانای الکتریسته بود که در یک طرف کاغذ نقش بسته بود. نقره‌ای که در پایین کاغذ اسپری شده بود، کاتد را تشکیل می‌داد. آند و کاتد توسط موم و کاغذ از یکدیگر جدا می‌شدند. چوی عنوان می‌کند که لایه کاغذی همچنین همانند یک ظرف کوچک عمل می‌کند که باکتریها می‌توانند در آن سکونت نمایند.

نحوه کارکرد: جهت به کار انداختن باتری، کاربر به مخزن محتوی باکتری و ترکیبات آلی، آب می‌افزاید. (ترکیبات آلی حاوی کربن هستند. به گفته چوی یک قند ساده مانند گلوکز می‌تواند در اینجا انتخاب مناسبی به حساب آید). همانطور که باکتریها غذای خود را مصرف و جذب می‌کنند، الکترون آزاد می‌سازند. این الکترونها در آند جمع می‌شوند. آنگاه هنگامی که وسیله‌ای یا سیمی به آند و کاتد متصل شود، الکترونها به سوی کاتد جریان می‌یابند. به منظور شارژ باتری، فرد تنها نیاز دارد آب پذیرای باکتریهای بیشتر را به آن بیافزاید. چوی عنوان می‌کند که برای این کار حتی فاضلاب می‌تواند به کار آید.

دانشمندان در پرژه‌های پیشین نشان داده‌اند که امکان چاپ فلز یا سایر مواد بر روی کاغذ وجود دارد. این بدان معناست که آنها می‌توانند مدارهایی یا حتی قطعاتی  از یک باتری را چاپ نمایند. این تکنیک‌های ساخت را می‌توان برای باتری مبتنی بر کاغذ چوی نیز بکار برد.

آزمایشات آزمایشگاهی صورت گرفته نشان دادند که این باتری جدید می‌تواند یک جریان الکتریکی کوچک ایجاد نماید. اکنون چوی و تیم او به دنبال راه‌هایی هستند که از طریق آنها این توان الکتریکی را افزایش دهند. آنها به منظور ساخت آند و کاتود، بر روی مواد و اشکال مختلف مطالعه می‌کنند. آنها همچنین به دنبال بهترین راه‌ها جهت ترکیب باتری‌ها به منظور بدست آوردن توان بیشتر هستند.

او عنوان می‌کند که زیبایی دستگاه‌های کاغذی آن است که شما می‌توانید آنها را جهت اتصال به یکدیگر روی هم انباشته و تا بزنید.


منبع: sciencenewsforstudents