Бактерии + 3D-печать = бессмертная батарея, которая ломает все правила физики и химии
NewsMaker10 лет провалов, одна случайная встреча — и прорыв, который напугает Tesla.
Порой научный прорыв оказывается не в другой лаборатории за тысячи километров, а всего на этаж ниже. Именно так произошло в Университете Бингемтона, где профессор Сокхён «Шон» Чхве, более десяти лет работающий над созданием биобатарей на основе бактерий, совершил важный скачок в своих исследованиях, объединив усилия с коллегой-механиком из того же корпуса.
Совместная работа с доцентом Дэхао Лю из кафедры машиностроения привела к созданию одной из самых мощных бактериальных батарей , которые команда Чхве когда-либо собирала. Новая биобатарея не использует ни литий, ни токсичные соединения — её основа — это нержавеющая сталь и устойчивые к условиям окружающей среды эндоспоры. Разработку можно использовать для питания маломощной электроники, и она уже доказала свою эффективность.
Главной проблемой, сдерживающей развитие таких батарей, долгое время были ограничения в выборе материалов. Коммерческая металлическая сетка из нержавеющей стали подходила по прочности и проводимости, но не давала возможности управлять микроструктурой поверхности — а ведь именно пористость и шероховатость критически важны для того, чтобы бактерии могли активно расти и генерировать ток.
Выход нашёлся в технологии лазерного сплавления металлического порошка (LPBF) — разновидности 3D-печати, при которой металлические детали строятся слой за слоем с наноуровневой точностью. Лю объясняет: LPBF идеально подходит для таких систем, потому что позволяет создавать геометрически сложные, настраиваемые структуры с максимальной площадью поверхности, что в биобатарее напрямую влияет на плотность вырабатываемой энергии.
Объединив усилия, два научных коллектива спроектировали и напечатали все компоненты биобатареи — анод, катод и герметичную крышку, собирая конструкцию как набор Lego. Такой подход позволил быстро решать задачи сборки и модернизации. Причём ключевой стала именно работа с анодом: именно на нём формируется колония бактерий, и чем больше у него активная поверхность, тем выше мощность батареи.
Обычные двухмерные аноды, по словам Чхве, неэффективны: питательные вещества с трудом достигают бактерий, а продукты их жизнедеятельности не успевают удаляться. Попытки создать трёхмерные структуры из углеродных или полимерных материалов упирались в проблемы механической прочности и несовместимости с живыми клетками при высокотемпературной обработке. А коммерческая металлическая сетка не давала свободы в проектировании. LPBF позволил обойти все эти ограничения.
С помощью 3D-печати учёные смогли точно настроить форму и микроструктуру поверхности анода, оптимизировав её для бактериальной активности и сборки системы. Полученный модуль оказался эффективным и универсальным: шесть соединённых в цепь миниатюрных биобатарей сумели выдать почти 1 милливатт мощности — достаточно, чтобы питать 3,2-дюймовый ЖК-дисплей.
Кроме того, компоненты на основе нержавеющей стали оказались многоразовыми: после окончания цикла можно удалить колонии бактерий и использовать элементы повторно. Многократное использование не привело к заметному снижению мощности, что делает технологию особенно перспективной для устойчивых систем автономного энергоснабжения.
Разработка также опирается на докторскую диссертацию доцента Анвара Эльхадада, который ранее обучался в лаборатории Чхве. В своей работе он исследовал биоэлектронные системы, сочетающие устойчивые источники энергии и технологии микроэлектроники. Эльхадад признаёт, что одним из главных вызовов всегда было создание прочных, масштабируемых электродов, и новая система решает именно эту проблему.
Исследователи уже строят планы на будущее. Во-первых, они хотят объединить процесс печати в единый цикл, чтобы за один этап изготавливать все элементы батареи. Во-вторых, команда работает над интеллектуальной системой управления питанием, которая будет регулировать заряд и разряд по аналогии с тем, как это реализовано в солнечных панелях.
Таким образом, проект из университетской лаборатории постепенно превращается в полноценную технологию для реального мира — экологичную, настраиваемую и совместимую с будущими поколениями биоэлектронных устройств.
Порой научный прорыв оказывается не в другой лаборатории за тысячи километров, а всего на этаж ниже. Именно так произошло в Университете Бингемтона, где профессор Сокхён «Шон» Чхве, более десяти лет работающий над созданием биобатарей на основе бактерий, совершил важный скачок в своих исследованиях, объединив усилия с коллегой-механиком из того же корпуса.
Совместная работа с доцентом Дэхао Лю из кафедры машиностроения привела к созданию одной из самых мощных бактериальных батарей , которые команда Чхве когда-либо собирала. Новая биобатарея не использует ни литий, ни токсичные соединения — её основа — это нержавеющая сталь и устойчивые к условиям окружающей среды эндоспоры. Разработку можно использовать для питания маломощной электроники, и она уже доказала свою эффективность.
Главной проблемой, сдерживающей развитие таких батарей, долгое время были ограничения в выборе материалов. Коммерческая металлическая сетка из нержавеющей стали подходила по прочности и проводимости, но не давала возможности управлять микроструктурой поверхности — а ведь именно пористость и шероховатость критически важны для того, чтобы бактерии могли активно расти и генерировать ток.
Выход нашёлся в технологии лазерного сплавления металлического порошка (LPBF) — разновидности 3D-печати, при которой металлические детали строятся слой за слоем с наноуровневой точностью. Лю объясняет: LPBF идеально подходит для таких систем, потому что позволяет создавать геометрически сложные, настраиваемые структуры с максимальной площадью поверхности, что в биобатарее напрямую влияет на плотность вырабатываемой энергии.
Объединив усилия, два научных коллектива спроектировали и напечатали все компоненты биобатареи — анод, катод и герметичную крышку, собирая конструкцию как набор Lego. Такой подход позволил быстро решать задачи сборки и модернизации. Причём ключевой стала именно работа с анодом: именно на нём формируется колония бактерий, и чем больше у него активная поверхность, тем выше мощность батареи.
Обычные двухмерные аноды, по словам Чхве, неэффективны: питательные вещества с трудом достигают бактерий, а продукты их жизнедеятельности не успевают удаляться. Попытки создать трёхмерные структуры из углеродных или полимерных материалов упирались в проблемы механической прочности и несовместимости с живыми клетками при высокотемпературной обработке. А коммерческая металлическая сетка не давала свободы в проектировании. LPBF позволил обойти все эти ограничения.
С помощью 3D-печати учёные смогли точно настроить форму и микроструктуру поверхности анода, оптимизировав её для бактериальной активности и сборки системы. Полученный модуль оказался эффективным и универсальным: шесть соединённых в цепь миниатюрных биобатарей сумели выдать почти 1 милливатт мощности — достаточно, чтобы питать 3,2-дюймовый ЖК-дисплей.
Кроме того, компоненты на основе нержавеющей стали оказались многоразовыми: после окончания цикла можно удалить колонии бактерий и использовать элементы повторно. Многократное использование не привело к заметному снижению мощности, что делает технологию особенно перспективной для устойчивых систем автономного энергоснабжения.
Разработка также опирается на докторскую диссертацию доцента Анвара Эльхадада, который ранее обучался в лаборатории Чхве. В своей работе он исследовал биоэлектронные системы, сочетающие устойчивые источники энергии и технологии микроэлектроники. Эльхадад признаёт, что одним из главных вызовов всегда было создание прочных, масштабируемых электродов, и новая система решает именно эту проблему.
Исследователи уже строят планы на будущее. Во-первых, они хотят объединить процесс печати в единый цикл, чтобы за один этап изготавливать все элементы батареи. Во-вторых, команда работает над интеллектуальной системой управления питанием, которая будет регулировать заряд и разряд по аналогии с тем, как это реализовано в солнечных панелях.
Таким образом, проект из университетской лаборатории постепенно превращается в полноценную технологию для реального мира — экологичную, настраиваемую и совместимую с будущими поколениями биоэлектронных устройств.