Tại các vùng sâu vùng xa trên thế giới hoặc ở những vùng có nguồn tài nguyên hạn chế, các vật dụng hàng ngày như ổ cắm điện và pin là những thứ xa xỉ. Nhân viên y tế ở những nơi này thường thiếu điện để cung cấp cho các thiết bị chẩn đoán và pin thương mại có thể không có hoặc có giá thành quá cao. Do vậy cần có nguồn năng lượng mới giá rẻ và di động. Hiện nay, nhóm nghiên cứu tại trường Đại học New York đã chế tạo được loại pin giấy mới hoạt động nhờ vi khuẩn, có thể giải quyết những thách thức này.
Nghiên cứu sinh Seokheun (Sean) Choi, đồng tác giả nghiên cứu cho biết: “Giấy có những ưu điểm độc đáo như làm vật liệu cho cảm biến sinh học. Giấy có giá thành rẻ, dùng một lần, linh hoạt và có diện tích bề mặt lớn. Tuy nhiên, các cảm biến tinh vi cần sử dụng nguồn điện. Sử dụng pin thương mại quá lãng phí và tốn kém, nên chúng không được tích hợp vào giấy. Giải pháp tốt nhất là sử dụng pin sinh học gắn trên giấy".
Trước đây, các nhà nghiên cứu đã từng chế tạo cảm biến sinh học trên giấy dùng một lần để chẩn đoán bệnh và các vấn đề sức khỏe với chi phí thấp và thuận tiện, cũng như phát hiện các chất ô nhiễm trong môi trường. Nhiều thiết bị cùng loại dựa vào những thay đổi màu sắc để thông báo kết quả, nhưng chúng thường không nhạy. Để tăng độ nhạy, các cảm biến sinh học cần một nguồn điện. Vì thế, nhóm nghiên cứu đã chế tạo loại pin giấy rẻ tiền hoạt động nhờ vi khuẩn, có thể dễ dàng tích hợp vào loại thiết bị sử dụng một lần.
Các nhà khoa học đã tạo ra loại pin giấy bằng cách in các lớp kim loại mỏng và các vật liệu khác lên bề mặt giấy. Sau đó, họ đặt "exoelectrogen" sấy đông lạnh trên giấy. Exoelectrogen là một loại vi khuẩn đặc biệt có thể truyền các điện tử bên ngoài tế bào của chúng. Các điện tử được sinh ra khi vi khuẩn sản sinh năng lượng cho bản thân chúng, đi qua màng tế bào. Sau đó, các điện tử có thể tiếp xúc với các điện cực bên ngoài và cấp điện cho pin. Để kích hoạt pin, các nhà nghiên cứu đã bổ sung nước hoặc nước bọt. Trong vòng vài phút, chất lỏng đã làm cho vi khuẩn sống lại sản sinh đủ điện tử để cung cấp năng lượng cho một điốt phát sáng và một máy tính.
Các nhà khoa học cũng nghiên cứu cách oxy ảnh hưởng đến hiệu suất của thiết bị. Oxy, dễ dàng di chuyển qua giấy, có thể hấp thụ các điện tử do vi khuẩn tạo ra trước khi chúng đi đến điện cực. Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng dù oxy giảm nhẹ hiệu suất phát điện, nhưng phạm vi ảnh hưởng không đáng kể. Lý do là vì các tế bào vi khuẩn bám chặt vào các sợi giấy, nhanh chóng đưa các điện tử ra xa cực dương trước khi oxy có thể can thiệp.
Pin giấy có thể được sử dụng một lần và sau đó vứt bỏ, hiện có thời hạn sử dụng khoảng bốn tháng. Nhóm đang nghiên cứu các điều kiện để kéo dài thời gian sử dụng và tăng hiệu quả của các vi khuẩn được sấy đông khô, cho phép kéo dài tuổi thọ pin. Nghiên cứu sinh Choi cho rằng hiệu suất năng lượng cũng cần phải được cải thiện khoảng 1.000 lần cho hầu hết các ứng dụng thực tế. Mục tiêu này có thể đạt được bằng cách xếp chồng và kết nối nhiều pin giấy. Loại pin mới đã được xin cấp sáng chế. Nhóm nghiên cứu đang tìm kiếm các đối tác công nghiệp để thương mại hóa sản phẩm.
Nghiên cứu sinh Seokheun (Sean) Choi, đồng tác giả nghiên cứu cho biết: “Giấy có những ưu điểm độc đáo như làm vật liệu cho cảm biến sinh học. Giấy có giá thành rẻ, dùng một lần, linh hoạt và có diện tích bề mặt lớn. Tuy nhiên, các cảm biến tinh vi cần sử dụng nguồn điện. Sử dụng pin thương mại quá lãng phí và tốn kém, nên chúng không được tích hợp vào giấy. Giải pháp tốt nhất là sử dụng pin sinh học gắn trên giấy".
Trước đây, các nhà nghiên cứu đã từng chế tạo cảm biến sinh học trên giấy dùng một lần để chẩn đoán bệnh và các vấn đề sức khỏe với chi phí thấp và thuận tiện, cũng như phát hiện các chất ô nhiễm trong môi trường. Nhiều thiết bị cùng loại dựa vào những thay đổi màu sắc để thông báo kết quả, nhưng chúng thường không nhạy. Để tăng độ nhạy, các cảm biến sinh học cần một nguồn điện. Vì thế, nhóm nghiên cứu đã chế tạo loại pin giấy rẻ tiền hoạt động nhờ vi khuẩn, có thể dễ dàng tích hợp vào loại thiết bị sử dụng một lần.
Các nhà khoa học đã tạo ra loại pin giấy bằng cách in các lớp kim loại mỏng và các vật liệu khác lên bề mặt giấy. Sau đó, họ đặt "exoelectrogen" sấy đông lạnh trên giấy. Exoelectrogen là một loại vi khuẩn đặc biệt có thể truyền các điện tử bên ngoài tế bào của chúng. Các điện tử được sinh ra khi vi khuẩn sản sinh năng lượng cho bản thân chúng, đi qua màng tế bào. Sau đó, các điện tử có thể tiếp xúc với các điện cực bên ngoài và cấp điện cho pin. Để kích hoạt pin, các nhà nghiên cứu đã bổ sung nước hoặc nước bọt. Trong vòng vài phút, chất lỏng đã làm cho vi khuẩn sống lại sản sinh đủ điện tử để cung cấp năng lượng cho một điốt phát sáng và một máy tính.
Các nhà khoa học cũng nghiên cứu cách oxy ảnh hưởng đến hiệu suất của thiết bị. Oxy, dễ dàng di chuyển qua giấy, có thể hấp thụ các điện tử do vi khuẩn tạo ra trước khi chúng đi đến điện cực. Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng dù oxy giảm nhẹ hiệu suất phát điện, nhưng phạm vi ảnh hưởng không đáng kể. Lý do là vì các tế bào vi khuẩn bám chặt vào các sợi giấy, nhanh chóng đưa các điện tử ra xa cực dương trước khi oxy có thể can thiệp.
Pin giấy có thể được sử dụng một lần và sau đó vứt bỏ, hiện có thời hạn sử dụng khoảng bốn tháng. Nhóm đang nghiên cứu các điều kiện để kéo dài thời gian sử dụng và tăng hiệu quả của các vi khuẩn được sấy đông khô, cho phép kéo dài tuổi thọ pin. Nghiên cứu sinh Choi cho rằng hiệu suất năng lượng cũng cần phải được cải thiện khoảng 1.000 lần cho hầu hết các ứng dụng thực tế. Mục tiêu này có thể đạt được bằng cách xếp chồng và kết nối nhiều pin giấy. Loại pin mới đã được xin cấp sáng chế. Nhóm nghiên cứu đang tìm kiếm các đối tác công nghiệp để thương mại hóa sản phẩm.
Theo (NASATI)8/2018
Tin tức liên quan
Đăng nhập
