Binghamton Üniversitesi’nden bakterilerden ilham alan, 0,75 volt üreten pil.

Binghamton Üniversitesi araştırmacıları, insan küçük bağırsağından esinlenen ve test sırasında en az 14 saat boyunca yaklaşık 0,75 volt çıkış veren bir bakteri beslemeli pil geliştirdi.

Cihaz, bakterilerin üremesi için daha fazla alan sağlamak, besin teslimini ve atık uzaklaştırmayı iyileştirmek amacıyla bağırsağın villus adı verilen parmak biçiminde yapılarından ilham alan esnek yapılara sahip. Bu küçük çıkıntılar, normalde bağırsağının besin emilimine yardımcı olurken, spor oluşturan bakterilerle elektrik üretimini artırmak için bir model sunuyor.

Araştırmacı ekip, yapıları esnek polimer hidrogel kullanarak imal etti ve içine Bacillus subtilis bakteri yerleştirdi. Yapılar pilin anodu görevini görüyor; burada bakteriyel etkinlik elektrik üretimine yardımcı oluyor.

Ekip, teknolojinin gelecekte atıksu borularına kurulabileceğini, organik atıkları besin kaynağı olarak kullanarak düşük güçlü cihazlar için electricity üretebileceğini belirtiyor.

Düz elektrot sınırlamalarını aşmak

Bakteri beslemeli piller, mikroorganizmaların metabolik etkinliğini kullanarak elektrik üretir. Ancak performansları kısmen bakterilerin besini ne kadar etkili bir şekilde alıp atığı nasıl uzaklaştırdığına bağlıdır.

Geleneksel iki boyutlu elektrotlar, bakteri üremesi için sınırlı yüzey alanı sağlar. Gözenekli malzemeler ek alan sunar ancak bakteriler biyofilm oluşturdukça tıkanabilir ve bu da besin ile atık ürünlerinin hareketini kısıtlar.

Gözelek yapılar, biyofilm oluşumuyla kolayca tıkanabilir; bu nedenle besin teslimi, atık birikmesi veya düzensiz biyofilm büyümesinde birçok sorun yaşadık,” diyor Binghamton Üniversitesi Elektrikli ve Bilgisayar Mühendisliği profesörü Seokheun “Sean” Choi.

Bu sorunları çözmek için Choi ve doktora araştırmacıları Ruohan Zhang ile Botian Wang, küçük bağırsağının yapısına başvurdu.

Baırsağının avantajlarını taklit etmek

Baırsağın villusları büyük bir yüzey alanı sağlarken, besinlerin nispeten kısa mesafeler üzerinden hareket etmesine olanak tanır. Araştırmacılar bu avantajları esnek pil elektrotunda yeniden üretmeye çalıştı.

Tıp alanında yaygın olarak kullanılan bir polimer hidrogelden parmak biçiminde çıkıntılar oluşturdu. Malzeme, bakterileri elektrotun tamamında barındırabilen üç boyutlu bir yapı inşa etmelerine olanak tanıdı.

Bakteri içeren yapılar anodu oluştururken, iyon değişir membranının karşı tarafında modifiye edilmiş bir kumaş elektrodu katod olarak yer alıyor. Bu bileşenler birlikte, bakteriler besini metabolize ederken cihazın elektrik üretmesini sağlıyor.

Atıksu uygulamaları henüz denenmedi

Araştırmacılar, gelecekteki versiyonları biopilin atıksu borularına yerleştirmayı hayal ediyor; burada mikroorganizmalar sudaki organik maddeleri yakıt olarak kullanabilecek.

“Bu bipilini bir atık borusuna koyabiliriz çünkü çevresiyle kolayca bütünleşebiliyor,” diyor Choi.

Esnek hidrogel, pilin farklı boru şekillerine ve boyutlarına uyum sağlamasına olanak tanıyabilir. Böyle sistemler gelecekte geleneksel pillere gerek kalmadan küçük sensörlere elektrik sağlayabilir.

Ancak araştırma hâlâ erken aşamada. Bildirilen voltaj, sürekli bir besin ortamı arzıyla sürdürüldü ve ekip sistemin atıksu borusu içinde çalıştığını göstermedi.

Araştırmacılar ayrıca tek adımlık bir baskı süreci yoluyla üretimi basitleştirmeyi; böylece yapıların ölçeklenebilir şekilde daha kolay üretilebilmesini istiyor. Başka bir hedef ise bakterilerin cihaz içindeki dağılımını iyileştirmek.

İnsan baırsağında mikroorganizmalar başlıca villusların yakındaki mukusa tabakasında yoğunlaşır. Mevcut tasarım bakterileri hidrogelin tamamına yerleştiriyor.

Gelecekteki çalışmalar, baırsağının fiziksel ve kimyasal koşullarından daha fazlasının yeniden üretilmesinin bakteri etkinliğini sürdürmeye ve performansı artırmaya yardımcı olup olmadığını inceleyecek.

Araştırma sonuçları Small adlı derede yayımlandı.