Швейцарські матеріалознавці надрукували біорозкладуваний суперконденсатор без металів і пластику. Пристрій складається з целюлози і матеріалів на основі вуглецю, може живити електронний годинник протягом двадцяти хвилин, а після використання розкладається в ґрунті за два місяці. Результати дослідження опубліковані в журналі.
Щороку людство відправляє на звалище понад п'ятдесят мільйонів тонн всіляких електронних пристроїв. Електронне сміття містить токсичні метали, пластик та інші небезпечні для навколишнього середовища речовини. Зі зростанням популярності сенсорів, розумних татуювань та інших компонентів інтернету речей проблема постане ще гостріше - адже багато таких пристроїв будуть одноразовими. Тому інженери та матеріалознавці працюють над створенням одноразової електроніки, яку можна було б надрукувати з доступних матеріалів і легко утилізувати після використання.
Густав Ністрем (Gustav Nyström) разом зі своїми колегами зі Швейцарських Федеральних лабораторій матеріалознавства і технологій (Empa) придумав біорозкладуваний суперконденсатор без металів і пластику, який можна надрукувати на 3D-принтері.
Суперконденсатор (або іоністор) - пристрій, подібний конденсатору, в якому роль обкладок виконує подвійний електричний шар на кордоні розділу електрод/електроліт. Ємність суперконденсаторів можна нарощувати, збільшуючи контактну площу електрода. Суперконденсатори займають проміжне положення між стандартними конденсаторами та електричними акумуляторами. Вони здатні заряджатися швидше акумуляторів і при цьому володіють більш високою ємністю, ніж конденсатори.
Ністрем і його колеги, виготовили простий варіант іоністора, який складається з трьох шарів - струмоприймач, електрод і електроліт. Всі шари вони наносили за допомогою методу робокастингу (Direct Ink Writing). Спочатку надрукували підкладку з целюлозних нановолокон і нанокристалів, пов'язаних за допомогою гліцерину, потім поверх неї нанесли шар струмоприймача з частинок технічного вуглецю і графіту в матриці з шелаку. Для електродів приготували чорнило на основі наноцелюлози з добавками активованого вугілля і графіту - це потрібно для того, щоб збільшити площу подвійного електричного шару і ємність майбутнього суперконденсатора. Перед нанесенням електроліту майбутні суперконденсатори витримували протягом семи днів при температурі двадцять градусів Цельсія відносної вологості 65 відсотків, щоб розчинник випаровувався повільно і в електродах не було тріщин. Чорнило для шару електроліту зробили з гліцерину, наноцелюлози і хлориду натрію. Потім до струмоприймача приклеїли контакти і приєднали готовий суперконденсатор до мережі. Позитивно заряджені іони натрію почали до катода, а негативно заряджені хлорид-іони - до аноду, і у кожного електрода сформувався подвійний електричний шар.
Готовий суперконденсатор демонструє ємність 25,6 фарад на грам - це трохи менше, ніж рекорд серед вуглецевих суперконденсаторів і вдесятеро більше, ніж попередній рекорд для конденсаторів, повністю створених за допомогою 3D-друку. Шість пристроїв, з'єднаних послідовно після трьох хвилин зарядки при потенціалі 3 вольта можуть живити електронний годинник протягом двадцяти хвилин. Пристрій може працювати при температурі від мінус двадцяти до сорока градусів Цельсія і витримує дві тисячі циклів зарядка-розрядка, при цьому ємність зменшується менш, ніж на один відсоток. Механічна міцність теж виявилася на висоті - конденсатор витримав навантаження в двісті кілопаскаль, втративши тільки 5 відсотків ємності.
Щоб з'ясувати, як протікатиме процес розкладання використаних пристроїв, вчені закопали їх у ґрунт. Через дев'ять тижнів втрата маси становила близько 50 відсотків - переважно за рахунок целюлози, гліцерину та органічних добавок. Твердий залишок в основному складався з вуглецю (у вигляді графіту, технічного вуглецю і нановолокон). Його можна зібрати і регенерувати, але можна і залишити в ґрунті - цей матеріал не токсичний і небезпеки для навколишнього середовища не становить.
Минулого місяця ми писали про перероблюваного транзистора на паперовій підкладці, який розробили вчені з США. Транзистор повністю складається з вуглецевих матеріалів: в якості напівпровідника використовували вуглецеві нанотрубки, в якості діелектрика - кристалічну наноцелюлозу, а провідні контакти зробили з графена.