Que sont les "Papertronics"? Pourquoi les chercheurs se tournent vers le papier comme source d'alimentation

Il semble que tous les quelques mois, il y a un nouveau téléphone portable, ordinateur portable ou tablette qui est si excitant que les gens font la queue autour du pâté de maisons pour mettre la main dessus. Alors que l'introduction perpétuelle de nouveaux composants électroniques légèrement plus avancés a rendu les entreprises comme Apple extrêmement fructueuses, la courte durée de vie de ces composants électroniques est néfaste pour l'environnement.

Les composants électroniques modernes sont remplis de circuits imprimés sur lesquels différents métaux et plastiques sont soudés. Certaines de ces matières sont toxiques - ou se décomposent en substances toxiques. Des efforts sont en cours pour stimuler le recyclage des déchets électroniques, récupérer des matériaux pouvant être réutilisés et éliminer correctement le reste. Mais la plupart des appareils finissent par s’ajouter aux piles croissantes de déchets électroniques dans les décharges.

Au lieu d'ajouter plus de déchets à ces piles en croissance constante, il existe une opportunité de créer des composants électroniques biodégradables. C’est pourquoi d’autres chercheurs et moi-même nous intéressons au secteur émergent de l’électronique à base de papier, appelé «papertronics». Ils sont flexibles - même pliables - durables, respectueux de l’environnement et peu coûteux.

Mais pour être vraiment respectueux de l’environnement, Papertronics ne peut pas utiliser les batteries traditionnelles, faites de métaux et d’acides caustiques, pour stocker et décharger de l’électricité. Récemment, mon collègue chimiste, Omowunmi Sadik, et moi-même avons mis au point une pile en papier recyclable et biodégradable, ainsi que suffisamment fiable pour être utilisée. La clé est les bactéries.

Bio-batteries flexibles

J’ai mis au point des piles flexibles, des piles alimentées à la salive, etc. Je pensais que lorsque l'on cherchait à alimenter des composants électroniques à base de papier, il était logique d'essayer de fabriquer une pile en papier. Heureusement, le papier est un matériau de batterie à fort potentiel: il est flexible, bon isolant - ce qui en fait une bonne plate-forme pour le montage de composants électroniques - et absorbe et libère facilement les fluides. Nous avons ajouté des polymères - acide poly (amique) et poly (dianhydride pyromellitique - p-phénylènediamine) - pour améliorer ces caractéristiques électriques.

Ensuite, pour stocker de l'énergie dans la batterie, à la place des métaux et des acides qui réagissent chimiquement pour générer des électrons, nous avons ajouté des bactéries. Lorsque ces batteries seront finalement commercialisées, elles utiliseront des bactéries sans danger pour l’homme et l’environnement et bien confinées pour réduire toute autre contamination.

Parce que le papier est rugueux et poreux, les bactéries y adhèrent et génèrent leur propre énergie en décomposant presque toutes les matières organiques disponibles, y compris les matières végétales ou les eaux usées. Pour le moment, nous sommes en train de préemballer du matériel source, mais il pourrait aussi provenir de l'environnement. Cette réaction chimique produit des électrons. Normalement, lors d’une réaction bactérienne, ces électrons se lieraient à l’oxygène, mais nous avons construit notre batterie pour limiter l’oxygène et remplacer l’électrode. Nous pouvons ainsi capturer le flux d’électrons et l’utiliser pour alimenter des dispositifs.

Nous craignions que l’oxygène ne pénètre dans le papier et interrompe le flux d’électrons entre les bactéries, ce qui réduirait l’efficacité de la batterie. Nous avons constaté que bien que cela se produise, ses effets sont minimes. C’est parce que beaucoup de cellules bactériennes sont si étroitement liées aux fibres de papier; ils forment un biofilm multicouche qui protège la réaction chimique de la plupart des oxygènes.

Nous voulions également une batterie pouvant se biodégrader. Les bactéries présentes dans la batterie même, une fois leur énergie libérée, peuvent transformer le papier et les polymères en composants inoffensifs. Dans l'eau, notre batterie se biodégrade facilement, sans aucun équipement spécial ni autre micro-organisme pour faciliter la panne.

Les structures en papier polymère sont légères, économiques et flexibles. Cette flexibilité permet également aux batteries de se plier comme un morceau de papier normal ou d’être empilées les unes sur les autres. Cela laisse plus de puissance de la batterie dans des espaces plus petits.

Promesses et opportunités

Papertronics peut être particulièrement utile dans les régions isolées aux ressources limitées, car elles sont alimentées par des bactéries capables de vivre dans les conditions les plus extrêmes et de détruire presque tous les matériaux pour produire des électrons. Ils n’ont pas non plus besoin d’un réseau électrique bien établi. De plus, bien que les piles à papier soient conçues pour être jetables après leur utilisation, leurs matériaux sont recyclables - et de nouvelles piles peuvent être créées à partir de papier recyclé.

Aussi révolutionnaires que les piles biologiques à base de papier soient destinées aux futurs appareils électroniques, leur fabrication est relativement simple. Les polymères et les bactéries peuvent être mélangés avec du papier dans des procédés de fabrication traditionnels, y compris l’impression rouleau à rouleau et la sérigraphie, ou même être peints ou coulés sur du papier.

D'autres matériaux peuvent également être ajoutés aux piles à papier, tels que les métaux, les semi-conducteurs, les isolants et les nanoparticules. Ces substances, ainsi que d'autres, peuvent ajouter plus de propriétés et de capacités aux dispositifs à base de papier, ouvrant de nouvelles portes à la prochaine génération d'électronique.

Cet article a été publié à l'origine sur The Conversation par Seokheun Choi. Lisez l'article original ici.