En la película The Matrix, los humanos dóciles y semi-conscientes son (spoiler) usados como baterías para una gran potencia mecánica. Si bien este principio es obviamente exagerado, las biobaterías son reales. En el último número de Advanced Science News, los científicos de la Universidad Estatal de Nueva York-Binghamton describen una nueva forma de usar las bacterias como baterías para sensores pequeños. Si bien las biobaterías se han utilizado para productos electrónicos de baja potencia, nunca han sido lo suficientemente simples o eficientes para su uso generalizado. Por lo tanto, el grupo Binghamton ha desarrollado una forma nueva y más fácil de crear y distribuir celdas de combustible microbianas, conocidas como MFC, utilizando una sola hoja de papel y bacterias liofilizadas que se pueden activar con solo un poco de saliva.
Un propósito importante de los MFC, especialmente los basados en papel, es permitir el uso de dispositivos electrónicos de baja potencia, en particular los sensores, cuando una batería normal es excesiva y tiene un costo prohibitivo. Estos no cargarán los teléfonos de nadie, pero producirán suficiente energía para encender un LED, o más probablemente, sensores de diagnóstico que podrían usarse para detectar el VIH o el cáncer, monitorear la glucosa y más.
"[Los MFC] se pueden usar en entornos con recursos limitados, como los países en desarrollo", dice el creador Seokheun "Sean" Choi, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en Binghamton. “Sin embargo, el problema es el poder. No podemos usar baterías disponibles en el mercado o tecnologías recientes de recolección de energía porque son demasiado derrochadoras y demasiado caras para biosensores desechables de un solo uso ".
Shewanella oneidensis, la bacteria utilizada por el equipo de Choi, a menudo se usa en nanotecnología, debido a su capacidad para reducir metales y vivir en entornos pobres en oxígeno. Es esa reducción, en la que los iones positivos se separan de los negativos, lo que hace que las células alargadas de dos micrómetros sean útiles en las biobaterías: el resultado son partículas cargadas libres que pueden usarse como energía.
Al igual que una batería normal, una batería biológica funciona separando un terminal con carga positiva (llamado cátodo) de un terminal con carga negativa (ánodo). A medida que la bacteria digiere una fuente de alimento (generalmente glucosa), sus funciones respiratorias liberan electrones y protones, que pueden usarse como energía.
"Si diseñamos su entorno para que el oxígeno sea limitado, y luego proporcionamos un electrodo sólido, entonces podemos capturar esos electrones", dice Choi.
La innovación de Choi tiene que ver con la estructura de los MFC de papel. ¿Cómo, preguntó, puede hacer una biobatería de papel económica que sea capaz de alimentar sensores electrónicos simples, pero que también sea fácil de usar y transportar? Su solución empleó algunas técnicas nuevas, principalmente liofilización y plegado.
La estructura de la batería está formada por una hoja de papel de cromatografía, dividida en una cuadrícula de pliegues. Una sección, hecha de nitrato de plata y cubierta con cera, forma el cátodo. Otra sección de polímero conductor actúa como el ánodo, y un tercero contiene un depósito para las bacterias y su fuente de energía. Choi precarga el reservorio con bacterias y las liofiliza. De esta manera, se pueden transportar o almacenar hasta por dos semanas.
Para usar, simplemente escupe en el depósito y dóblalo en el centro del cátodo y el ánodo. Sí, escupir; todo lo que se necesita es un poco de material orgánico para que las bacterias se pongan en marcha, y la saliva contiene glucosa. Podría ser cualquier cosa, pero la saliva generalmente está disponible y es menos objetable que algunas de las alternativas.
El trabajo de Choi es parte del creciente e importante campo de la papertronia. (Universidad de Binghamton) Aaron Mazzeo, profesor asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial en Rutgers, hace papertronics para interfaces flexibles hombre-máquina, cosas como dispositivos de papel portátiles para monitorear el sudor en busca de cortisol, un indicador de estrés. Una batería como la de Choi podría ser la fuente de energía que necesita.
"Vamos a seguir teniendo el desafío continuo de proporcionar energía a estos dispositivos", dice Mazzeo. “Tener la energía eléctrica le permite hacer el diagnóstico, pero también podría potencialmente amplificar las señales, por lo que podría detectar cantidades más pequeñas. Esto está lejos en el futuro, pero este tipo de cosas podrían ser útiles no solo para medir el cortisol, sino también para cosas como el colesterol o el alcohol u otros marcadores clínicamente relevantes en la sangre, la orina o el sudor ".
Tanto el trabajo de Mazzeo como el de Choi forman parte del creciente e importante campo de la papertronia. Los científicos están encontrando más y mejores formas de poner en papel los circuitos, condensadores, baterías e incluso células solares e interfaces de usuario (como lo hace el grupo de Mazzeo). Antes del trabajo de Choi, las baterías que han ejecutado todas estas aplicaciones han sido asuntos complicados formados por múltiples hojas de papel que tienen que coincidir con precisión.
"Creo que hay un potencial real para que este campo contribuya a los esfuerzos continuos de la sociedad en materia de estabilidad ambiental, seguridad, comunicación, salud y rendimiento", dice Mazzeo.
Pero siempre existe la necesidad de alimentar esos dispositivos electrónicos, por lo que Choi todavía quiere hacer que sus baterías sean más potentes y eficientes, y para hacer eso está investigando diferentes medios para doblarlas y apilarlas, así como para diseñar bacterias para ser mejores productores de energía.
