Một loại pin cần được cung cấp năng lượng thay vì sạc? Đây chính xác là những gì các nhà nghiên cứu Empa đã đạt được với pin nấm phân hủy sinh học được in 3D của họ. Pin sống có thể cung cấp năng lượng cho các cảm biến phục vụ cho nông nghiệp hoặc nghiên cứu ở các vùng xa xôi. Sau khi hoàn thành công việc, nó sẽ tự tiêu hóa từ bên trong. Nghiên cứu được công bố trên ACS Sustainable Chemistry & Engineering.
Điện cực in lưới chứa nấm được sử dụng trong ngăn cực dương của pin. Tín dụng: Empa
Nấm, có họ hàng gần với động vật hơn là thực vật, bao gồm một sự đa dạng khổng lồ. Mọi thứ đều có thể tìm thấy ở đây: từ nấm ăn được đến nấm mốc, từ sự sống đơn bào đến sinh vật lớn nhất trên Trái đất, từ mầm bệnh gây bệnh đến siêu anh hùng sản xuất thuốc. Hiện nay, các nhà nghiên cứu Empa đã khai thác được một khả năng khác từ nấm: tạo ra điện.
Là một phần của dự án nghiên cứu kéo dài ba năm, các nhà khoa học từ phòng thí nghiệm Cellulose và Wood Materials của Empa đã phát triển một loại pin nấm có chức năng. Các tế bào sống không sản xuất ra nhiều điện, nhưng chúng tạo ra đủ để cung cấp năng lượng cho một cảm biến nhiệt độ trong nhiều ngày, ví dụ. Các cảm biến như vậy được sử dụng trong nông nghiệp hoặc nghiên cứu môi trường. Ưu điểm lớn nhất của pin nấm: Không giống như pin thông thường, nó không chỉ hoàn toàn không độc hại mà còn có thể phân hủy sinh học.
Nấm từ máy in
Nói một cách chính xác, tế bào không phải là pin, mà là cái gọi là tế bào nhiên liệu vi khuẩn. Giống như mọi sinh vật sống, vi sinh vật chuyển đổi chất dinh dưỡng thành năng lượng. Tế bào nhiên liệu vi khuẩn sử dụng quá trình trao đổi chất này và thu một phần năng lượng dưới dạng điện. Cho đến nay, chúng chủ yếu được cung cấp năng lượng bởi vi khuẩn.
Vi sinh vật học gặp kỹ thuật điện
"Lần đầu tiên, chúng tôi đã kết hợp hai loại nấm để tạo ra một pin nhiên liệu hoạt động", nhà nghiên cứu Carolina Reyes của Empa cho biết. Quá trình trao đổi chất của hai loài nấm bổ sung cho nhau: Ở phía cực dương có một loại nấm men có quá trình trao đổi chất giải phóng electron. Cực âm được một loại nấm mục trắng xâm chiếm, sản sinh ra một loại enzyme đặc biệt, cho phép các electron được bắt giữ và dẫn ra khỏi tế bào.
Nấm không được "trồng" vào pin mà là một phần không thể thiếu của tế bào ngay từ đầu. Các thành phần của pin nấm được sản xuất bằng cách sử dụng công nghệ in 3D. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu cấu trúc các điện cực theo cách mà các vi sinh vật có thể tiếp cận các chất dinh dưỡng dễ dàng nhất có thể. Để làm được điều này, các tế bào nấm được trộn vào mực in.
"Thật khó để tìm ra một vật liệu mà nấm có thể phát triển tốt", Gustav Nyström, Trưởng phòng thí nghiệm Vật liệu Cellulose và Gỗ, cho biết. "Nhưng mực cũng phải dễ đùn mà không giết chết các tế bào—và tất nhiên chúng tôi muốn nó dẫn điện và có thể phân hủy sinh học".
Nhờ kinh nghiệm sâu rộng của phòng thí nghiệm trong việc in 3D các vật liệu mềm, có nguồn gốc sinh học, các nhà nghiên cứu đã có thể sản xuất ra loại mực phù hợp dựa trên cellulose. Các tế bào nấm thậm chí có thể sử dụng cellulose làm chất dinh dưỡng và do đó giúp phân hủy pin sau khi sử dụng. Tuy nhiên, nguồn dinh dưỡng ưa thích của chúng là đường đơn, được thêm vào các tế bào pin. Reyes cho biết: "Bạn có thể lưu trữ pin nấm ở trạng thái khô và kích hoạt chúng tại chỗ chỉ bằng cách thêm nước và chất dinh dưỡng".
Nấm vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ trong lĩnh vực khoa học vật liệu. Tín dụng: Empa
Mặc dù nấm khỏe mạnh có thể sống sót qua những giai đoạn khô như vậy, nhưng việc làm việc với các vật liệu sống đặt ra một số thách thức cho các nhà nghiên cứu. Dự án liên ngành kết hợp vi sinh vật học, khoa học vật liệu và kỹ thuật điện. Để mô tả đặc điểm của pin nấm, nhà vi sinh vật học được đào tạo Reyes không chỉ phải học các kỹ thuật điện hóa học mà còn phải điều chỉnh chúng cho phù hợp với mực in 3D.
Các nhà nghiên cứu hiện đang có kế hoạch làm cho pin nấm mạnh hơn và bền hơn—và tìm kiếm các loại nấm khác phù hợp để cung cấp điện. "Nấm vẫn chưa được nghiên cứu và sử dụng đầy đủ, đặc biệt là trong lĩnh vực khoa học vật liệu", Reyes và Nyström đồng ý.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
