미 연구진, 박테리아 구동 종이 배터리 개발 VIDEO: A paper battery powered by bacteria

A paper battery powered by bacteria

(Nanowerk News) In remote areas of the world or in regions with limited resources, everyday items like electrical outlets and batteries are luxuries. Health care workers in these areas often lack electricity to power diagnostic devices, and commercial batteries may be unavailable or too expensive. New power sources are needed that are low-cost and portable. 

Researchers harnessed bacteria to power these paper batteries. 

(Image: Seokheun Choi)

미 연구진, 박테리아 구동 종이 배터리 개발 재미 한국인 과학자 빙햄튼 뉴욕 주립대  최석현 소장 외딴 지역이나 제한적인 자원 지역 유용   미국 뉴욕 주립대학(University of New York)의 연구진은 박테리아로 구동되는 새로운 종이 배터리를 개발했다. 외딴 지역이나 제한적인 자원을 가진 지역에서는 전기 콘센트나 배터리와 같은 일상용품이 사치일 수가 있다. 의료 종사자들도 진단 장치용 전기가 부족한 경우를 종종 겪는다. 따라서 저비용 또는 휴대 가능한 새로운 전원 장치가 필요하다. 이번 연구진은 종이로 만들어지고 박테리아에 의해서 연료가 공급되는 새로운 종류의 배터리를 제시했다. 이러한 배터리는 기존의 문제점을 극복할 수 있을 것이다. 종이는 바이오센서 재료로서 독특한 이점을 가지고 있다. 이것은 저렴하고 일회용으로 사용할 수 있고 유연하며 표면적이 크다. 종이 바이오센서는 전원 공급 장치가 필요하지만 기존의 상업용 배터리는 고가이고 종이 기질과 결합될 수 없다. 최고의 해결책은 종이 기반의 바이오배터리를 개발하는 것이다. 질병 및 건강 상태를 진단하거나 환경오염 물질을 탐지할 수 있는 저렴한 일회용 종이 기반의 바이오센서는 이미 개발되었다. 이러한 바이오센서는 감도를 향상시키기 위해서 외부 전원장치가 필요하다. 그래서 이번 연구에서는 박테리아로 작동될 수 있는 저렴한 종이 배터리를 개발했다. 종이 표면에 얇은 금속 및 기타 물질을 인쇄시켜서 종이 배터리를 만든 후에 동결 건조된 전자방출균(exoelectrogen)을 종이 위에 올려놓았다. 전자방출균은 세포 외부로 전자를 전달하는 특별한 종류의 박테리아이다. 전자들은 세포막을 통과한다. 그리고 외부 전극에 접촉해서 배터리에 전원을 공급한다. 배터리를 활성화시키기 위해서 물이나 타액이 추가되었다. 액체는 2분 이내에 박테리아를 소생시키고, 발광 다이오드와 계산기에 전력을 공급할 수 있을 정도의 전자를 생산한다. 이번 연구진은 산소가 장치의 성능에 어떤 영향을 미치는지를 조사했다. 종이를 쉽게 통과하는 산소는 전극에 도달하기 전에 세균이 생성한 전자를 흡수할 수 있다. 조사한 결과, 이런 산소는 발전량을 약간 감소시키는 미미한 영향을 끼쳤다. 한 번 사용하고 폐기하는 종이 전지는 현재 약 4 개월의 수명을 가지고 있다. 동결 건조 박테리아의 생존 능력을 향상시킬 수 있다면 수명을 연장시킬 수 있을 것이다. 최첨단 분야에 적용하기 위해서는 전력 성능을 현재보다 약 1,000배 향상시켜야 하는데, 이것은 여러 개의 종이 배터리를 연결시켜서 달성할 수 있을 것이다. 이 연구결과는 미국 화학 학회의 256차 학술대회(256th National Meeting & Exposition of the American Chemical Society)에서 발표되었다. ndsl

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Today, researchers report a new type of battery -- made of paper and fueled by bacteria --- that could overcome these challenges.

The researchers will present their results today at the 256th National Meeting & Exposition of the American Chemical Society (ACS).

"Paper has unique advantages as a material for biosensors," says Seokheun (Sean) Choi, Ph.D., who is presenting the work at the meeting. "It is inexpensive, disposable, flexible and has a high surface area. However, sophisticated sensors require a power supply. Commercial batteries are too wasteful and expensive, and they can't be integrated into paper substrates. The best solution is a paper-based bio-battery."

Researchers have previously developed disposable paper-based biosensors for cheap and convenient diagnosis of diseases and health conditions, as well as for detecting contaminants in the environment. Many such devices rely on color changes to report a result, but they often aren't very sensitive. To boost sensitivity, the biosensors need a power supply. Choi wanted to develop an inexpensive paper battery powered by bacteria that could be easily incorporated into these single-use devices.

빙햄튼 뉴욕 주립대  최석현 소장 via youtube

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So Choi and his colleagues at the State University of New York, Binghamton made a paper battery by printing thin layers of metals and other materials onto a paper surface. Then, they placed freeze-dried "exoelectrogens" on the paper. Exoelectrogens are a special type of bacteria that can transfer electrons outside of their cells. The electrons, which are generated when the bacteria make energy for themselves, pass through the cell membrane. They can then make contact with external electrodes and power the battery. To activate the battery, the researchers added water or saliva. Within a couple of minutes, the liquid revived the bacteria, which produced enough electrons to power a light-emitting diode and a calculator.

The researchers also investigated how oxygen affects the performance of their device. Oxygen, which passes easily through paper, could soak up electrons produced by the bacteria before they reach the electrode. The team found that although oxygen slightly decreased power generation, the effect was minimal. This is because the bacterial cells were tightly attached to the paper fibers, which rapidly whisked the electrons away to the anode before oxygen could intervene.

The paper battery, which can be used once and then thrown away, currently has a shelf-life of about four months. Choi is working on conditions to improve the survival and performance of the freeze-dried bacteria, enabling a longer shelf life. "The power performance also needs to be improved by about 1,000-fold for most practical applications," Choi says. This could be achieved by stacking and connecting multiple paper batteries, he notes. Choi has applied for a patent for the battery and is seeking industry partners for commercialization.

Source: American Chemical Society

https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=50907.php

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