Гідрогель зміцнив папір для друку гнучких біорозкладаних акумуляторів
Вчені з Сінгапуру запропонували для створення гнучких акумуляторів використовувати папір, укріплений гідрогелем. Вони створили кілька цинк-марганцевих батарей з укріпленого паперу і перевірили, чи зможуть вони працювати після багаторазового згинання. У статті, опублікованій в журналі, дослідники зазначають, що отримані акумулятори можна гнути і перекручувати і це не сильно позначиться на їхній роботі. А після використання такі акумулятори можна закопати в землю, де вони повністю розкладуться за кілька тижнів.
Папір на основі целюлози в гнучкій електроніці використовують давно, в тому числі для створення друкованих акумуляторів. Це доступний і недорогий матеріал, який швидко розкладається в ґрунті, на відміну від багатьох пластиків і полімерів, які часто використовуються в гнучкій електроніці. Однак у неї є свої недоліки, наприклад, через пухку структуру і шорстку поверхню друкувати електродними фарбами на обох сторонах листа складно, тому що це може викликати коротке замикання акумулятора. А стійкість паперу до скручувань і вигинів залишає бажати кращого.
Група вчених із Сінгапуру під керівництвом професора Наньянського технологічного університету Хон Цзінфана (Hong Jin Fan) запропонувала для друку акумуляторів використовувати целюлозний папір, укріплений гідрогелем. Для виготовлення такого паперу вчені взяли целюлозний фільтрувальний папір, попередньо зануривши його в розчин акриламіду і нагріли в інертній атмосфері. Гідрогель поліакриламіду запідімерізувався між волокнами і повністю заповнив папір, що значно посилило механічні властивості отриманого паперу. Її межа міцності 75 мегапаскалей - це в дев'ять разів більше, ніж у звичайного фільтрувального паперу.
Далі за допомогою трафаретного друку дослідники нанесли електроди батареї на передню і задню частини аркуша, використавши електродні фарби на основі марганцю і цинку. Але як зазначають вчені, для електродів можна використовувати й інші метали. Гідрогель, який заповнює папір, служив роздільником і не дозволяв анодним і катодним фарбам змішуватися, таким чином, запобігаючи коротке замикання. Після завершення процесу друку електродів всю батарею занурили в розчин електроліту, після чого на обидва електроди нанесли тонкий шар золота для збільшення провідності.
Готовий акумулятор має товщину приблизно 0,4 міліметра, а ширина і довжина можуть варіюватися в межах декількох сантиметрів. Для проведення випробувань на міцність і механічну деформацію вчені зробили батареї розміром 1 на 4 сантиметри і 4 на 4 сантиметри. Перша пройшла цикл випробувань з різними умовами вигину. Після 1000 циклів вигину її продуктивність знизилася всього на п'ять відсотків. Другу батарею дослідники підключили до невеликого вентилятора, який вона живила протягом 45 хвилин. Згинання і скручування батареї майже не вплинули на її роботу.
Плюсом цинк-марганцевих батарей з укріпленого паперу є те, що гідрогелевий папір володіє високою біорозкладуваністю. Щоб це підтвердити вчені закопали в саду університетського кампусу аркуші звичайного фільтрувального паперу і гідрогелевого паперу. Виявилося, що папір укріплений гідрогелем повністю розкладається за чотири тижні, тоді як звичайним потрібно шість тижнів. Гігроскопічність гідрогелю сприяє зростанню і розмноженню мікроорганізмів, які допомагають розкладатися такому папері швидше. Марганець, який використовується для катода, залишиться в оксидній або гідроксидній формах, які близькі до форми природних мінералів, а цинк на аноді буде окислятися природним шляхом з утворенням нетоксичного гідроксиду.
Вчені нерідко використовують папір у своїх дослідженнях. Наприклад, хіміки з Університету Райса показали, що синтез одношарових нанотрубок можна зробити більш економічним і екологічним, використовуючи як підкладку газетний папір. А дослідники з США і Китаю навчилися створювати за допомогою лазера прості електронні пристрої з паперу.