导读


最近,英国科研人员将活的蓝藻细菌和电路印刷到纸上,开发出一种太阳能生物电池和太阳能面板二合一的产品。


关键字

太阳能生物电池生物传感器


背景


如今,电子设备正摆脱以往僵硬笨重的形象,呈现出柔性、可折叠、轻量、生物可降解的新趋势。然而,能量供应系统作为至关重要的电子设备也在顺应着这一新趋势。


其中,生物燃料电池非常具有代表意义。值得一提的是,笔者曾经介绍过美国宾汉姆顿大学电气和计算机科学系助理教授 Seokheun Choi 开发的生物电池系统:


  • 像折纸飞镖一样的微生物燃料电池,它可以在几滴脏水中的细菌上运行。这种电池具有低成本的优势,将可以为一次性的纸基生物传感器供电。



(图片来源: 宾汉姆顿大学)


  • 由细菌提供能量的纸基生物燃料电池,它代表了一种简单、低成本的供电方式,不仅可以为生物传感器供电,还可以用于净化环境,因为微生物可以分解污染物。

(图片来源:宾汉姆顿大学)


创新


今天,让我们要介绍的技术与生物燃料电池有点相似,它是一种太阳能生物电池。首先,让我们把目光投向一种特殊的微生物:蓝藻细菌。在地球上,蓝藻细菌已经存在了几十亿年,它是一类可以开展光合作用的微生物。蓝藻细菌被认为是地球大气层富氧的主要原因。


最近,一个科研团队演示了采用蓝藻细菌作为油墨,通过喷墨打印机,将精准的图案打印到导电碳纳米管上,这些图案也可以打印到纸张上。团队也展示了在印刷过程中存活下来的蓝藻细菌,它们可以进行光合作用,因此通过100个小时的时间周期,研究人员将可以采集到少量的电能。

(图片来源:伦敦帝国理工学院


通过这种方式设计的生物太阳能面板,尺寸大致与 iPad 相似,可以为简单的数字时钟供电,在另外一个实验中则是一个小型LED灯泡。


技术


太阳能生物电池将研究推进到一种全球科学家正在开发的新型可再生能源技术,也称为微生物光伏(BPV)。它展示了蓝藻细菌和其他藻类使用生物光合作用,将光能转化为电流,而这种电流使用水作为电子的来源。

(图片来源:伦敦帝国理工学院


使用BPV技术,从类似蓝藻细菌这样的微生物中采集能量,其中的优势之一就是:它们能够在日光下生产少量的电力,而且即使在黑暗中,它们也能够通过光线中产生的分子继续生产电力。


科学家之前在开发BPV时面对过一些限制因素,主要时制造成本高、输出功率低,寿命短。所有这些缺点让科学家无法将这项技术的规模扩大至工业水平。


团队称,他们的方案使用现成的喷墨打印机构建BPV,展示出这项技术的易扩展性,为更广泛的应用铺平了道路。

价值

英国伦敦帝国理工学院、剑桥大学、中央圣马丁艺术与设计学院的研究人员表示,他们的这项突破性研究进展将带来由纸张和印刷的光合细菌制成的新型电气装置。这些装置包括:一次性电源,它可以集成到监测糖尿病人的纸基传感器中;像墙纸一样的设备,它实际上是监测家里空气质量的传感器。


伦敦帝国理工大学化学工程系的博士,文章的合著者之一 Marin Sawa 表示:


“我们认为这项技术将带来一系列应用,例如作为环境中的传感器。让我们想象一种像墙纸一样的一次性纸基环境传感器,它可以监测家里空气质量。当它完成工作时,可以被拆掉,扔到花园中进行生物降解,而不会对环境造成任何影响。”

伦敦帝国理工大学生命科学系博士、研究的合著者之一 Andrea Fantuzzi 表示:


“纸基的BPV并不是意味着要取代用于大规模发电的传统太阳能技术,而是用于构建既可以一次性使用又可以生物降解的电源。它们的低功率输出意味着它们更加适合需要少而有限的能量的设备和应用,例如环境感知和生物传感器。”


研究人员表示,BPV可以用于完全由纸制成的新型传感器,这意味着它们更加便宜,性价比更高,对于资源和环境的影响更小。BPV的另外一个应用示例,就是医疗行业。Andrea Fantuzzi 博士表示:


“纸基的BPV集成了印刷电子和生物传感器技术,将开创一次性纸基传感器的时代,这些传感器可用于监测健康指标例如糖尿病人的血糖水平。一旦测量完成,该设备可以通过环境影响很低的方式处理。更进一步地说,这种方案有望带来很低的成本效应,这也为它在医疗预算和资源有限的发展中国家应用铺平了道路。”

未来

目前纸基BPV单元只有手掌般大小,下一步团队将扩大他们概念验证的设计扩大至A4纸的规模,以在更大的面积判断电力输出。论文合著者之一、剑桥大学生物化学系教授 Christopher Howe 补充说:


“这是非常令人激动的概念验证。现在的挑战在于让面板变得更加强大、持久和健壮。”

参考资料


【1】http://www3.imperial.ac.uk/newsandeventspggrp/imperialcollege/newssummary/news_6-11-2017-12-27-41


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