Chris Kocher, Binghamton Universiteti

Stefani Baum tərəfindən redaktə edilmişdir , Andrew Zinin tərəfindən nəzərdən keçirilmişdir

 Redaktorların qeydləriPaslanmayan polad elektrodların 3D çapı. a) Paslanmayan polad elektrodların hazırlanması üçün 3D çap prosesinin konseptual təsviri. b) 3D çaplı paslanmayan polad konstruksiyaların müxtəlif ölçülərdə və müxtəlif bucaqlardan fotoşəkilləri, onların ölçüləri və həcmləri təfərrüatlı cədvəllə müşayiət olunur. Kredit: Qabaqcıl Enerji və Davamlılıq Araşdırması (2025). DOI: 10.1002/aesr.202500199

Mühəndislik yenilikləri ümumiyyətlə laboratoriyada uzun saatlar tələb edir, ən yaxşı həlli sıfırlamadan əvvəl təcrübələr vasitəsilə çoxlu sınaq və səhvlərlə.

Ancaq bəzən, əgər şanslısınızsa, cavab burnunuzun altında və ya bu vəziyyətdə ayaqlarınızın altında ola bilər.

Binghamton Universitetinin professoru Seokheun “Sean” Choi, növbəti iterasiyanı təkmilləşdirmək üçün öyrəndiklərinə əsaslanaraq, son on il ərzində bir sıra bakteriya ilə işləyən biobatareyalar hazırladı. Ən böyük məhdudiyyət onun təxəyyülü deyil – o, həmişə eyni anda bir neçə layihə ilə hoqqabazlıq edir – işləməli olduğu materiallardır.

Thomas J. Watson Mühəndislik və Tətbiqi Elmlər Kollecinin Elektrik və Kompüter Mühəndisliyi Departamentinin professoru olan Choi-paslanmayan poladdan xüsusi bir komponent yarada biləcək əməkdaş lazım olduqda, o, Binghamton Mühəndislik və Elm Binasındakı ofisindən bir qədər aşağıda birini tapdı.

Məlum olub ki, Watson-un Maşın Mühəndisliyi Departamentindən assistent professor Dehao Liu paslanmayan poladdan mikroarxitekturaların çapı üçün yeni üsul olan lazer toz yatağı füzyonu (LPBF) texnologiyası üzrə ekspertdir .

“LPBF biobatareyalar üçün idealdır, çünki o, səth sahəsini və enerji sıxlığını artırmaq üçün vacib olan mürəkkəb həndəsələrə malik yüksək dəqiqlikli, fərdiləşdirilə bilən 3D strukturları yaratmağa imkan verir ” dedi Liu.

Onlar bu yaxınlarda Advanced Energy & Sustainability Research jurnalında həyatımızdakı hər şeyi getdikcə daha çox birləşdirən Əşyaların İnterneti üçün sensorlar kimi kiçik, avtonom cihazları gücləndirməyə kömək edə biləcək tapıntılarını əks etdirən bir məqalə dərc etdilər .

Layihə üzrə digər tədqiqatçılar ECE Assistant Professor Anwar Elhadad, Ph.D.; Yang “Lexi” Gao (hazırkı fəlsəfə doktoru tələbəsi); və Liu-nun Ph.D. tələbələr, Guangfa Li və Jiaqi Yang.

“Mən bu əməkdaşlıqdan çox şadam” dedi Choi. “Bu, biobatareyanın bu iterasiyasını mənim üçün çox mənalı edir.”

Endosporlar elektrik cərəyanı yaradan elektrokimyəvi reaksiya üçün yanacaq təmin edir . Bakteriyaların bu hərəkətsiz formaları ətraf mühitin streslərinə qarşı müstəsna dayanıqlıq nümayiş etdirir və əlverişli şərait olduqda aktivləşirlər.

Biobatareyanın işləməsi üçün üç komponent lazımdır: müsbət elektrod (katod), mənfi elektrod (anod) və ikisi arasında mübadilə edilən ionların elektrik cərəyanı yaratdığı membran. Ən yaxşı güc çıxışı üçün bakteriyaların olduğu anod üçölçülü olmalıdır ki, orqanizmlər ən az məkanda koloniyalaşa və inkişaf edə bilsinlər.

“İki ölçülü anod səmərəli deyil” dedi Choi. “Qida maddələri bakteriyalara effektiv şəkildə çatdırılmayacaq və onların tullantıları effektiv şəkildə çölə çıxa bilməz.”

3D anodların istehsalını çətinləşdirən, karbon əsaslı və ya polimer əsaslı materialların aşağı elektrik keçiriciliyinə malik olması və gündəlik istifadə üçün çox kövrək olmasıdır. Onların mikrofabrikasiya prosesləri də bakteriyalar üçün ölümcül ola biləcək yüksək temperatur tələb edir.

“İki il əvvəl biz anod kimi paslanmayan polad mesh istifadə etməyə başladıq, çünki onun keçiriciliyi həqiqətən yaxşıdır və struktur olaraq çox güclüdür” dedi Choi. “Biz mikrob yanacaq hüceyrəsini elektronikaya bu cür inteqrasiya etməkdə uğur qazandıq. Ticarətdə mövcud olan şəbəkə ilə bağlı problem ondan ibarətdir ki, biz onun məsaməliliyinə və pürüzlülüyünə nəzarət edə bilmirik. Biz sadəcə onu alıb bakteriya hüceyrələrinə buraxardıq.”

LPBF prosesi metal toz qatını çökdürür, əridir və sonra bərk metal təbəqəsi yaratmaq üçün lazerdən istifadə edərək bərkidir və bu iki ölçülü təbəqələr birləşərək 3D komponentləri yaradır. Çap edilmiş parça üçün təfərrüatlar nanoskopik səviyyəyə qədər planlaşdırıla bilər.

“Biz burada potensial gördük” dedi Choi. “Sonra biz 3D çapdan istifadə edərək digər komponentləri, məsələn, möhürləyici örtük və katod hissəsi hazırladıq və onları sadəcə Lego kərpicləri kimi yığdıq.”

Çıxışı artırmaq üçün biobatareyalar ardıcıl və ya paralel olaraq yığıla bilər, altı batareya təxminən 1 millivat gücünə çatır – 3,2 düymlük nazik film tranzistorlu maye kristal displeyini gücləndirmək üçün kifayətdir. Bu, Choi-nin biobatareya dizaynları arasında əldə etdiyi ən yüksək elektrik çıxışlarından biridir.

Choi qeyd edib ki, paslanmayan polad komponentlərin başqa bir üstünlüyü var: “Siz bakteriya hüceyrələrini ayırıb sonra onları təkrar istifadə edə bilərsiniz və biz bir sıra istifadələrdən sonra güc səviyyələrinin saxlanıldığını göstərdik”.

“İlhamverici” yenilik

Elhadad üçün bu son məqalə birbaşa Choi-nin tələbəsi kimi etdiyi doktorluq tədqiqatından irəli gəlir.

“Mənim fəlsəfə doktorum dayanıqlı enerji yığımı texnologiyalarını, xüsusən də mikrob yanacaq hüceyrələrini birləşdirən bioelektron sistemlərin inkişafına diqqət yetirdi” dedi. “Bu tədqiqat dissertasiyam zamanı rastlaşdığım bəzi əsas problemləri, xüsusən də miqyaslana bilən, yüksək performanslı və struktur cəhətdən möhkəm elektrod materiallarına olan ehtiyacı həll etməklə bu təməl üzərində qurulur.”

Elhadad əlavə edib ki, Choi ilə işləmək “ilhamverici və intellektual stimullaşdırıcıdır”.

“O, yaradıcılığı təşviq edir və mümkün olanın sərhədlərini aşır, xüsusən də biologiyanın elektronika ilə inteqrasiyasına gəldikdə” dedi. “Əməkdaşlığımız çox praktikdir – eksperimentlərin dizaynından tutmuş nasazlıqların aradan qaldırılmasına qədər materiallar və istehsal texnikalarına qədər. O, aydın görmə qabiliyyətinə malikdir, lakin həmişə yeni ideyalara açıqdır, bu da işimizi həm strukturlaşdırılmış, həm də innovativ hiss etdirir.”

Gələcəyə baxaraq, Binghamton komandası hər birini ayrı-ayrılıqda yaratmaq əvəzinə, biobatareyanın komponentləri üçün vahid çap metodu hazırlamaq istəyir. Digər məqsəd, günəş batareyasına bənzər batareyanın doldurulması və boşaldılmasına nəzarət etmək üçün enerji idarəetmə sistemi vasitəsilə enerji yığımını təkmilləşdirməkdir.

Daha çox məlumat: Ənvər Elhadad və başqaları, Davamlı, Yüksək Performanslı və Ölçəklənə bilən Çipdə Biogüclərə Doğru: 3D Çap Paslanmayan Polad Anodlar və Spora Əsaslı Biokatalizatorlar ilə Mikrobial Biobatareyalar, Qabaqcıl Enerji və Davamlılıq Araşdırması (2025). DOI: 10.1002/aesr.202500199Binghamton Universiteti tərəfindən təmin edilmişdir