Fiskebioaffald omdannet til piezoelektriske energioptagere

Store mængder fisk indtages dagligt i Indien, som genererer en enorm mængde fisk "bioaffald" materialer. I et forsøg på at gøre noget positivt med dette bioaffald, et team af forskere ved Jadavpur University i Koltata, Indien undersøgte genanvendelse af fiskens biprodukter til en energihøster til selvdrevet elektronik.

Grundpræmissen bag forskernes arbejde er enkel:Fiskeskalaer indeholder kollagenfibre, der besidder en piezoelektrisk egenskab, hvilket betyder, at en elektrisk ladning genereres som reaktion på påføring af en mekanisk belastning. Som holdet rapporterer i denne uge i Anvendt fysik bogstaver , de var i stand til at udnytte denne ejendom til at fremstille en bio-piezoelektrisk nanogenerator.

At gøre dette, forskerne indsamlede først bioaffald i form af hårdt, rå fiskeskæl fra et fiskeforarbejdningsmarked, og brugte derefter en demineraliseringsproces til at gøre dem gennemsigtige og fleksible, "forklarede Dipankar Mandal, Assisterende professor, Organisk nano-piezoelektrisk apparatlaboratorium, Institut for Fysik, ved Jadavpur University.

Kollagenerne i de forarbejdede fiskeskalaer tjener som et aktivt piezoelektrisk element.

"Vi var i stand til at lave en bio-piezoelektrisk nanogenerator-også kaldet energioptageren-med elektroder på begge sider, og derefter lamineret det, "Sagde Mandal.

Selvom det er velkendt, at et enkelt kollagen -nanofiber udviser piezoelektricitet, indtil nu havde ingen forsøgt at fokusere på hierarkisk organisering af kollagen -nanofibriller inden for de naturlige fiskeskalaer.

"Vi ville undersøge, hvad der sker med det piezoelektriske udbytte, når en flok kollagen-nanofibriller er hierarkisk godt afstemt og selvsamlet i fiskeskælene, "tilføjede han." Og vi opdagede, at piezoelektriciteten af ​​fiskeskala -kollagenet er ret stor (~ 5 pC/N), som vi kunne bekræfte via direkte måling. "

Udover det, den polarisations-elektriske felthysteresesløjfe og den resulterende stamme-elektriske felthysteresesløjfe-bevis på en omvendt piezoelektrisk effekt-forårsaget af den "ikke-lineære" elektrostriktionseffekt bakkede deres fund op.

Teamets arbejde er den første kendte demonstration af den direkte piezoelektriske effekt af fiskevægte fra elektricitet genereret af en bio-piezoelektrisk nanogenerator under mekaniske stimuli-uden behov for post-elektriske poleringsbehandlinger.

"Vi er godt klar over ulemperne ved efterbehandlingen af ​​piezoelektriske materialer, "Bemærkede Mandal.

For at udforske fiske skalaen kollagens selvjusterende fænomener, forskerne brugte nærkantsrøntgenabsorbering finstruktur-spektroskopi, målt på Raja Ramanna Center for Advanced Technology i Indore, Indien.

Eksperimentelle og teoretiske test hjalp dem med at afklare den bio-piezoelektriske nanogenerators energibesparende ydeevne. Det er i stand til at fjerne flere typer af omgivende mekaniske energier - herunder kropsbevægelser, maskin- og lydvibrationer, og vindstrøm. Selv gentagne gange ved at berøre den biopiezoelektriske nanogenerator med en finger kan tænde mere end 50 blå lysdioder.

"Vi forventer, at vores arbejde vil have stor indflydelse på området for selvdreven fleksibel elektronik, "Sagde Mandal." Til dato, trods flere ekstraordinære bestræbelser, ingen andre har været i stand til at lave en bionedbrydeligt energioptager i en omkostningseffektiv, et-trins proces. "

Gruppens arbejde kan potentielt være til brug i gennemsigtig elektronik, biokompatibel og bionedbrydelig elektronik, spiselig elektronik, selvdrevet implanterbart medicinsk udstyr, operationer, overvågning af e-sundhedspleje, såvel som in vitro og in vivo diagnostik, bortset fra dets utallige anvendelser til bærbar elektronik.

"I fremtiden, vores mål er at implantere en bio-piezoelektrisk nanogenerator i et hjerte til pacemaker-enheder, hvor den løbende vil generere strøm fra hjerteslag til enhedens drift, "Sagde Mandal." Så vil det nedbrydes, når det ikke længere er nødvendigt. Da hjertevæv også består af kollagen, vores bio-piezoelektriske nanogenerator forventes at være meget kompatibel med hjertet. "

Gruppens bio-piezoelektriske nanogenerator kan også hjælpe med målrettet lægemiddellevering, som i øjeblikket skaber interesse som en måde at genvinde in vivo kræftceller og også for at stimulere forskellige typer beskadigede væv.

"Så vi forventer, at vores arbejde har enorm betydning for næste generations implanterbare medicinske anordninger, " han tilføjede.

"Vores endelige mål er at designe og konstruere sofistikeret indtagelig elektronik sammensat af ikke -giftige materialer, der er nyttige til en lang række diagnostiske og terapeutiske anvendelser, sagde Mandal.