什么是“Papertronics”？为什么研究人员将纸张视为电池来源

似乎每隔几个月就会有一部新的手机，笔记本电脑或平板电脑，这些令人兴奋的人们会围着这块街区排队等待它。虽然新的，稍微先进的电子产品的不断推出使得像Apple这样的企业取得了巨大的成功，但这些电子产品的保质期短对环境不利。

现代电子设备充满了电路板，各种金属和塑料焊接在一起。这些材料中的一些是有毒的 - 或分解成有毒物质。正在努力促进电子废物的回收利用，回收可以重复使用的材料并妥善处理其余部分。但大多数设备最终都会增加垃圾填埋场中不断增加的电子垃圾堆积。

不是在这些不断增长的堆中添加更多垃圾，而是有机会创造可生物降解的电子产品。这就是为什么其他研究人员和我正在寻找新兴的纸质电子领域 - 被称为“papertronics”。他们灵活 - 甚至可折叠 - 可持续，对环境友好且低成本。

但为了真正实现环保，papertronics不能使用由金属和苛性酸制成的传统电池来存储和释放电力。最近，我的化学家同事Omowunmi Sadik和我开发了一种可回收和可生物降解的纸电池，并且可靠性足以实际使用。关键是细菌。

灵活的生物电池

我开发了柔性电池，唾液驱动的电池等等。我认为，在寻求为纸质电子设备供电时，尝试用纸制造电池是有意义的。幸运的是，纸张是一种很好的潜在电池材料：它具有柔韧性，良好的绝缘体 - 这使其成为安装电子元件的良好平台 - 并且可以轻松吸收和释放流体。我们添加了聚合物 - 聚（酰胺）酸和聚（均苯四甲酸二酐 - 对苯二胺） - 以改善这些电气特性。

然后，为了将能量存储在电池中，代替化学反应产生电子的金属和酸，我们添加了细菌。当这些电池最终商业化时，它们将使用对人类和环境安全的细菌，并且包含良好的细菌以减少任何其他污染。

由于纸张粗糙且多孔，细菌会粘附在纸上，并通过分解几乎任何可用的有机物质（包括植物材料或废水）来产生自身能量。目前，我们正在预先包装源材料，但它也可能来自环境。这种化学反应产生电子。通常在细菌反应中，这些电子会与氧气结合，但我们已经制造了电池以限制氧气并替代电极，这意味着我们可以捕获电子流并用它来为设备供电。

我们担心氧气会进入纸张并中断细菌之间的电子流动，从而降低电池的效率。我们发现虽然确实发生了这种情况，但效果却很小。那是因为许多细菌细胞如此紧密地附着在纸纤维上;它们形成一层多层生物膜，可以屏蔽大多数氧气的化学反应。

我们还想要一种可以生物降解的电池。电池本身的细菌一旦释放出能量，就会将纸张和聚合物分解成无害的成分。在水中，我们的电池很容易生物降解，没有任何特殊设备或其他微生物来帮助分解。

聚合物纸结构重量轻，成本低且灵活。这种灵活性还允许电池像普通纸一样折叠，或者堆叠在彼此之上。这样可以让更多的电池电量适合更小的空间。

承诺与机遇

Papertronics在资源有限的偏远地区特别有用，因为它们可以通过即使在最极端条件下也可以栖息的细菌来驱动，并且几乎可以分解任何材料来产生电子。他们也不需要完善的电网。此外，尽管纸质电池在使用后设计为一次性的，但它们的材料是可回收的 - 并且可以用再生纸制造新电池。

与纸质生物电池一样具有革命性的是未来的电子设备，它们非常简单易用。聚合物和细菌可以在传统的制造工艺中与纸混合，包括卷对卷印刷和丝网印刷 - 甚至可以在纸上涂漆或浇注。

其他材料也可以添加到纸电池 - 如金属，半导体，绝缘体和纳米粒子。这些和其他物质可以为纸质设备增加更多属性和功能，为下一代电子产品打开新的大门。

本文最初发表在Seokheun Choi的The Conversation上。阅读原文。