Intestini i vogël ka disa funksione, përfshirë tretjen kimike, absorbimin e nutrientëve dhe ujit, sekrecionin hormonal, mbrojtjen imune dhe, tani duket se, frymëzimin për dizajne më të mira të baterive.
I frymëzuar nga proksimet e ngjashme me gishtat, të quajtura “villi”, që e lërojnë murin e intestinit të vogël, hulumtuesit e Universitetit të Binghamtonit kanë zhvilluar një lloj të ri të biobaterisë me bazë bakteriale, e cila gjeneron më shumë se tetë herë më shumë energji elektrike për njësi vëllimi sesa një dizajn i krahasueshëm i sheshtë. Hulumtuesit kopjuan formën, materialin dhe sjelljen e “villi” për të krijuar një mjedis më të përshtatshëm për mikroorganizmat që gjenerojnë energji elektrike.
Në këtë rast, biobateritë janë një lloj qelize ushqyese mikrobiale (MFC), e cila përdor mikroorganizma të gjallë për të shndërruar energjinë kimike të ruajtur në materie organike në energji elektrike.
Disa bakterie prishtas shkatërrojnë përbërje organike gjatë metabolizmit, duke lëshuar elektronet në proces. Në një qelizë ushqyese mikrobiale, një anod mbledh këto elektrona, të cilat më pas udhëtojnë përmes një qarkut të jashtëm deri te katoda, duke gjeneruar një rryma elektrike. Ndërkohë, ionet me ngarkim elektrik lëvizin përmes një elektroliti – zakonisht një lëng që përmban kripë të tretura dhe ionet e tjera – për të ndihmuar në kompletimin e reaksioneve elektrokimike. Sa kohë që bakteriet mbeten aktive dhe kanë një burim të përshtatshëm ushqimi, sistemi mund të vazhdojë të prodhojë energji elektrike.
Hulumtuesit kanë eksploruar qelizat ushqyese mikrobiale në trajtimin e ujit të zeza, monitorimin mjedisor dhe furnizimin me energji të pajisjeve të vogla elektronike. Disa sisteme eksperimentale madje kanë përdorur bakterie që ushqehen me urinë për të ushqyer ndriçimin LED. Megjithatë, qelizat ushqyese mikrobiale mbeten kryesisht në fazën e kërkimit, instalimeve pilot dhe aplikimeve të specializuara, pjesërisht për shkak të prodhimit relativisht të ulët të energjisë elektrike. Një nga sfidat është dizajni i elektrodave që ofrojnë hapësirë të mjaftueshme për bakteriet për të rritur, duke lejuar në të njëjtën kohë që nutrientet të arrijnë tek to dhe mbeturinat metabolike të largohen.
Elektrodat tradicionale të sheshta ofrojnë një sipërfaqe të kufizuar për kolonizimin e bakterieve, e cila kufizon sasinë e energjisë elektrike që ato mund të gjenerojnë. Hulumtuesit kanë tentuar të kapërcejnë këtë kufizim me materiale poroz, duke përfshirë letër, tekstile dhe polimere të veçanta, të cilat ofrojnë sipërfaqe shtesë për bakteriet për të u vendosur. Megjithatë, ndërsa mikroorganizmat shumëzohen, ata formojnë komunitete ngjitëse të quajtura “biofilme” që gradualisht mund të bllokojnë këto porozitete. Kjo kufizon transportin e nutrientëve, e mban të mbërritur mbeturinat metabolike dhe mund të çojë në rritje të pabarabartë të bakterieve, duke ndikuar në prodhimin e energjisë elektrike.
“Strukturat e poroze janë të prirura të bllokohen nga formimi i biofilmëve, prandaj kemi hasur në shumë probleme me transportin e nutrientëve, akumulimin e mbeturinave ose rritjen jo uniforme të biofilmëve”, thotë Prof. Seokheun Choi, kryetar i Laboratorit të Bioelektronikës dhe Sistemeve Mikro në Universitetin e Binghamton. “Ajo që na nevojitet është një bioelektrod që imiton indeksin e gjallë, në mënyrë që të ofrojmë një sipërfaqe të gjerë, një distancë të shkurtuar të difuzionit, transport eficient të masës dhe, në të njëjtën kohë, të jetë mekanikisht fleksibël, i zgjerueshëm dhe i skalueshëm.”
Kërkuesit gjetën një zgjidhje të mundshme në intestini i vogël i njeriut.
Intestini i vogël është i lyer me miliona projeksione të vogla, të ngjashme me gishtërinjtë, të quajtura “villi”, të cilat rrisin ndjeshëm sipërfaqen e disponueshme për absorbimin e nutrientëve. Struktura e tyre që del përjasht përmirëson transportin e nutrientëve, ndërsa ambienti i hidratuar rreth tyre mbështet aktivitetin biologjik. Kërkuesit menduan se riprodhimi i disa prej këtyre veçorive në një qelizë mikrobie elektrike mund të ofrojë më shumë hapësirë për bakteret që prodhojnë elektricitet, pa kompromentuar lëvizjen e nutrientëve dhe mbeturinave.
Për të testuar këtë ide, ekipi zhvilloi shtylla fleksibël, elektro-përshpëritëse, të mbuluara me hidrogel dhe të ngjashme me “villi” e intestinit. Hidrogeli kombinon polivinil alkoolin me një polimer të kryerueshëm, të quajtur PEDOT, dhe oksidi i grimave të reduktuara, duke prodhuar një material të butë, që ruhet uji dhe që është i aftë të kryejë elektricitet. Më pas, ata vendosën spora të “Bacillus subtilis”, një bakter që është i aftë të transferojë elektronet jashtë qelizave, në të gjithë shtyllat artificiale. Kur u ekspozuan ndaj një zgjidhje të përshtatshme nutrientësh, spërat fillojnë të rriten dhe bëhen bakterë të aktivë metabolikisht, duke filluar të prodhojnë elektricitet.
Kërkuesit më pas e integruan shtyllën artificiale në një qelizë mikrobie elektrike, duke përdorur hidrogelin e mbushur me bakterë si anodë. Ata instaluan një katodë të modifikuar prej pëlhure karboni, e ndarë nga anoda me një membranë e shkëmbimit të jonëve që lejon transportin e jonëve, duke mbajtur mjediset e elektrodave të ndara. Lëngu që përmban nutrientët shërben gjithashtu si elektrolit, duke furnizuar bakteret me ushqim dhe duke mundësuar lëvizjen e jonëve nëpër sistem.
Për të përcaktuar dizajnin më efektiv, ekipi prodhoi dhe testoi 24 konfiguracione me lartësi dhe rreze të ndryshme të shtyllave, duke ekzaminuar se si dimensionet e tyre ndikojnë në prodhimin e energjisë elektrike. Ata zhvilluan gjithashtu “patch” fleksibël që përmbajnë shumë “villi” dhe i testuan në një mjedis të simuluar të tubit të ujërave të zeze.
Rezultatet, të publikuara në revistën “Small”, tregonin se dizajni i frymëzuar nga “villi” arriti një dendësi të fuqisë volumetrike prej 66.45 mikrovatëve për kubik centimetër (µW/cm³), krahasuar me vetëm 8.04 µW/cm³ për një elektrodë konvencionale në kushte të krahasueshme. Ky është një rritje 8.3-fishore, specifikisht mbi dizajmin e thjeshtë të hulumtuesve, dhe jo mbi çdo qelizë mikrobiale ekzistuese. Një nga “gishtat” më të mirë prodhoi një nivel maksimal të energjisë prej 8.35 mikrovatëve, ndërsa pajisja ruajti rreth 0.75 volt për të paktën 14 orë, me një furnizim të vazhdueshëm me nutrientë.
Një vlerësim i shpejtë: një mikrovat është një milion e një e vatit, kështu që, edhe dizajni i përmirësuar nuk është i mjaftueshëm për elektronikën e konsumit tradicionale.
Megjithatë, një aplikim veçanërisht premtues është monitorimi i mjedisit me energji të vetëfurnizuar, veçanërisht brenda tubacioneve të ujit të zeze. Uji i zeze përmban materie organike që bakteret mund të metabolizojnë, duke mundësuar që sensorët e instaluar brenda tubacioneve të marrin energji nga uji i zeze që kalon. Patçat fleksibël të hidrogelit mund të përshtaten në murin e kurbur të këtyre tubacioneve dhe të furnizojnë sasi të vogla energjie për të monitoruar kushtet e mjedisit. Hulumtuesit demonstratuan konceptin duke përdorur një solucion nutrient që simuloje ujin e zeze në një tub simuluar.
Gjithashtu, ekziston mundësia e zgjerimit të teknologjisë duke prodhuar patçe më të mëdha ose duke lidhur shumë “bio-bateria”, por kjo sjell sfida të veta. Rritja e madhësisë së një qelize mikrobiale nuk e rrit domosdo energjinë e prodhuar në proporcion, pasi shpërndarja e nutrientëve, rezistenca e brendshme dhe faktorë të tjerë mund të ndikojnë në performancë. Aktualisht, hulumtuesit po punojnë për një proces printimi të skalueshëm dhe me një hap dhe shpresojnë të përmirësojnë atë mënyrë me të cilën “villi” artificiale riprodhojnë mjedisin fiziologjik dhe kimik të zorrës.
Burimi: Universiteti i Binghamton.
Burimi: newatlas.com
