Biofilm z mŕtvych mikróbov vytvára výkonnú batériu na odparovanie

Nová štúdia vychádza z predchádzajúceho výskumu konkrétneho kmeňa baktérií známeho ako Geobacter sulfurreducens. Tento mikrób, známy aj ako „elektrizujúci“, je jedným z viacerých, ktoré preukázali schopnosť vyrábať elektrinu za určitých podmienok, aj počas procesu odparovania. To z neho robí ideálneho kandidáta na použitie v biofilmoch, ktoré možno prilepiť na kožu a získavať tak využiteľnú energiu pre nositeľnú elektroniku prostredníctvom odparovania potu.

Problémom doteraz bolo, že udržať tieto mikróby pri živote, udržiavať vhodné podmienky a poskytovať im nepretržité suroviny bolo trochu problematické. Tím z Amherstu zistil, že mikrób G. sulfurreducens nepotrebuje byť na výrobu elektriny živý. V skutočnosti sa zdá, že funguje ešte lepšie, keď nežije.

„Je oveľa efektívnejší,“ hovorí Derek Lovley, profesor mikrobiológie na Massachusettskej univerzite Amherst a jeden z hlavných autorov štúdie. „Zjednodušili sme proces výroby elektriny tým, že sme radikálne znížili množstvo potrebného spracovania. Bunky trvalo pestujeme v biofilme a potom využívame túto aglomeráciu buniek. Tým sa znížia energetické vstupy, všetko sa zjednoduší a rozšíria sa možnosti využitia“.

G. sulfurreducens rastie v tenkých, matných kolóniách s hrúbkou listu papiera, v ktorých sa každý mikrób spája so svojimi susedmi prostredníctvom toho, čo výskumný tím nazýva ako „prírodné nanodrôty“. Tím zoberie tieto rohože a vyleptá do nich malé obvody pomocou lasera. Potom ich vloží medzi elektródy a uzavrie do mäkkej, poréznej polymérovej náplasti, ktorá sa nosí na pokožke, kde začne generovať elektrinu, keď sa z pokožky odparí pot.

Zaujímavé je, že tento biofilm zrejme funguje oveľa lepšie ako anorganické generátory prúdu založené na odparovaní, pokiaľ ide o slanú vodu. Podľa výskumnej práce jeho štruktúra tiež uľahčuje odparovanie. Výskumníci poznamenávajú, že „odparovanie vody cez biofilmy bolo dokonca rýchlejšie ako z otvorenej vodnej plochy“.

„Limitujúcim faktorom nositeľnej elektroniky bol vždy zdroj energie,“ hovorí Jun Yao, profesor elektrotechniky a počítačového inžinierstva na Massachusettskej univerzite Amherst a druhý hlavný autor štúdie. „Batérie sa vybíjajú a musia sa meniť alebo nabíjať. Sú tiež objemné, ťažké a nepohodlné“. Tento biofilm podľa tímu produkuje toľko energie ako porovnateľne veľká batéria, netreba ho kŕmiť ani sa oň starať a nikdy ho netreba pripájať a nabíjať.

Experimenty v tejto práci ukázali, že kožná náplasť z biofilmu si udržala svoju výkonnosť najmenej 18 hodín a schopne napájala snímač napätia merajúci pulz, dýchanie a iné telesné signály. Pri vzájomnom prepojení biofilmové fólie napájali laserom vzorovaný nositeľný elektrochemický senzor glukózy. Pri laboratórnom testovaní biofilmy vykazovali podobnú výkonnosť 35. deň testovania ako v prvý deň.

Potenciál by tu však mohol byť oveľa väčší než len v prípade nositeľných zariadení.

„Naše výsledky dokazujú, že biofilmové fólie sú inovatívnym, udržateľne vyrábaným materiálom schopným škálovateľnej výroby elektrickej energie na základe odparovania,“ uvádza sa v štúdii. „Ďalšie stratégie na organizovanie mikrobiálnych buniek do vysoko kanalizovaných materiálov s veľkým povrchom môžu byť uskutočniteľné. Všade prítomnosť mikroorganizmov a ich sklon k tvorbe biofilmu naznačuje možnosti získavania elektrickej energie prostredníctvom podobných stratégií založených na odparovaní v rôznych prostrediach“.

Ak sa ukáže, že je to škálovateľné na veľkých plochách, približne 50 % obrovského množstva slnečnej energie, ktoré sa dostane na Zem, sa pohltí v procese odparovania vody a možno by táto technológia mohla predstavovať spôsob, ako využiť časť tejto energie. No je to určite ešte ďaleko, kým by sa to mohlo stať realitou.

Výskum je voľne prístupný v magazíne Nature Communications.