Dans le film The Matrix, des êtres humains dociles et semi-conscients sont utilisés comme piles pour une grande puissance mécanique. Bien que ce principe soit évidemment exagéré, les biobatteries sont bien réelles. Dans le dernier numéro de Advanced Science News, des scientifiques de l'Université d'État de New York-Binghamton décrivent une nouvelle façon d'utiliser les bactéries comme piles pour les petits capteurs. Bien que les biobatteries aient été utilisées pour l’électronique de faible puissance, elles n’ont jamais été aussi simples ni suffisamment efficaces pour être utilisées à grande échelle. Le groupe Binghamton a donc mis au point un nouveau moyen, plus simple, de créer et de distribuer des piles à combustible microbiennes, appelées MFC, en utilisant une seule feuille de papier et des bactéries lyophilisées pouvant être activées avec juste un peu de salive.
Un objectif important des MFC, en particulier à base de papier, est de permettre l'utilisation de composants électroniques à faible puissance, en particulier de capteurs, lorsqu'une batterie ordinaire est à la fois excessive et trop chère. Ceux-ci ne chargeront les téléphones de personne, mais ils fourniront suffisamment d'énergie pour faire fonctionner une DEL ou, plus probablement, des capteurs de diagnostic pouvant être utilisés pour détecter le VIH ou le cancer, surveiller la glycémie, etc.
«Les [MFC] peuvent être utilisés dans des environnements aux ressources limitées, tels que les pays en développement», explique le créateur Seokheun «Sean» Choi, professeur adjoint d'ingénierie électrique et informatique à Binghamton. «Cependant, le problème est le pouvoir. Nous ne pouvons pas utiliser de piles disponibles dans le commerce ni de technologies de récupération d'énergie récentes, car elles sont trop onéreuses et trop coûteuses pour des biocapteurs jetables à usage unique. ”
Shewanella oneidensis, la bactérie utilisée par l'équipe de Choi, est souvent utilisée en nanotechnologie en raison de sa capacité à réduire les métaux et à vivre dans des environnements pauvres en oxygène. C’est cette réduction, dans laquelle les ions positifs sont séparés des ions négatifs, qui rend les cellules allongées de deux micromètres utiles dans les biobatteries: le résultat est des particules chargées libres qui peuvent être utilisées comme énergie.
Comme une batterie ordinaire, une biobatterie consiste à séparer un terminal chargé positivement (appelé cathode) d'un terminal chargé négativement (anode). Lorsque la bactérie digère une source de nourriture (généralement le glucose), ses fonctions respiratoires libèrent des électrons et des protons, qui peuvent être utilisés comme énergie.
«Si nous modifions leur environnement de manière à limiter l'oxygène, puis fournissons une électrode solide, nous pouvons capturer ces électrons», explique Choi.
L'innovation de Choi concerne la structure des MFC en papier. Comment, at-il demandé, pouvez-vous réaliser une biobatterie en papier peu coûteuse, capable d’alimenter des capteurs électroniques simples, mais facile à utiliser et à transporter? Sa solution utilisait de nouvelles techniques, principalement la lyophilisation et le pliage.
La structure de la batterie est constituée d’une feuille de papier de chromatographie divisée en une grille de plis. Une section, en nitrate d'argent et recouverte de cire, forme la cathode. Une autre section de polymère conducteur sert d’anode et une troisième contient un réservoir pour la bactérie et sa source d’énergie. Choi précharge le réservoir de bactéries et les lyophilise. De cette façon, ils peuvent être transportés ou stockés jusqu'à deux semaines.
Pour l'utiliser, il suffit de cracher dans le réservoir et de le replier au centre de la cathode et de l'anode. Oui, cracher il suffit d’un peu de matière organique pour que les bactéries s’y mettent et la salive contient du glucose. Cela pourrait être n'importe quoi, mais la salive est généralement disponible et moins désagréable que certaines des alternatives.
Le travail de Choi fait partie du domaine croissant et important de la papertronique. (Université de Binghamton) Aaron Mazzeo, professeur adjoint en génie mécanique et aérospatial à Rutgers, fabrique de la papertronique pour des interfaces homme-machine flexibles, telles que des dispositifs en papier portables pour surveiller la sueur à la recherche de cortisol, un indicateur de stress. Une batterie comme celle de Choi pourrait être la source d’alimentation dont il a besoin.
«Nous allons continuer à avoir le défi permanent d’alimenter ces appareils», a déclaré Mazzeo. «Disposer de l’alimentation électrique vous permet d’effectuer le diagnostic, mais cela pourrait aussi potentiellement amplifier les signaux, ce qui vous permettrait de détecter de plus petites quantités. C’est une issue dans le futur, mais ce genre de chose pourrait être utile non seulement pour mesurer le cortisol, mais peut-être même des choses comme le cholestérol ou l’alcool ou d’autres marqueurs cliniquement pertinents dans le sang, l’urine ou la sueur. "
Les travaux de Mazzeo et de Choi font partie du domaine important et croissant de la papertronique. Les scientifiques trouvent de plus en plus de meilleurs moyens de mettre sur papier des circuits, des condensateurs, des batteries et même des cellules solaires et des interfaces utilisateur (comme le groupe Mazzeo). Avant le travail de Choi, les batteries qui ont exécuté toutes ces applications étaient des affaires compliquées constituées de plusieurs feuilles de papier qui devaient être assorties avec précision.
«Je pense que ce domaine peut réellement contribuer aux efforts de la société en matière de stabilité environnementale, de sécurité, de communication, de santé et de performance», a déclaré Mazzeo.
Mais il est toujours nécessaire d'alimenter ces composants électroniques. Choi veut donc toujours rendre ses batteries plus puissantes et plus efficaces. Pour ce faire, il étudie différents moyens de les plier et de les empiler, ainsi que de concevoir des bactéries pour mieux produire de l'énergie.
