Nhóm Khoa Học Trung Quốc phát triển “pin sinh học sống” sử dụng vi khuẩn tự phát điện, kích thước chỉ nhỏ bằng đồng xu
Theo tin từ Viện Kỹ thuật Tiên tiến Thâm Quyến thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (gọi tắt là “Viện Tiên tiến Thâm Quyến”) đã phối hợp với nhóm nghiên cứu của Lưu Chí Viễn và nhóm của Vương Nhậm Hành đến từ Đại học Thâm Quyến, vừa công bố công trình nghiên cứu mới nhất trên tạp chí Advanced Materials.
Sơ đồ minh họa chế tạo pin sinh học di động cỡ nhỏ và ứng dụng kích thích điện sinh học
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng công nghệ in 3D với hydrogel sinh học, chế tạo thành công cell pin nhiên liệu vi sinh vật (microbial fuel cell) có đường kính chỉ 20 mm và cao 3,2 mm — một thiết bị siêu nhỏ, có thể mang theo người. Đặc biệt, họ đã tích hợp thiết bị kích thích điện sinh học, giúp điều chỉnh chính xác hoạt động điện sinh lý và huyết áp thông qua kích thích tế bào thần kinh, mở ra tiềm năng ứng dụng lớn trong điều trị bệnh.
Công trình này thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị sinh học di động, đồng thời mở rộng giới hạn nghiên cứu trong lĩnh vực vật liệu năng lượng sống. Pin sinh học, hay còn gọi là pin nhiên liệu vi sinh vật, là một dạng thiết bị năng lượng mới sử dụng hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật điện hoạt để phát điện.
Nhờ cải tiến theo hướng mini hóa và tính di động, loại pin này có tiềm năng cung cấp năng lượng cho các thiết bị tiêu thụ điện năng thấp như đồng hồ thông minh, máy tạo nhịp tim,…
Vật liệu hydrogel sống được chế tạo bằng công nghệ in 3D
Lấy cảm hứng từ công nghệ chế tạo pin lithium truyền thống, nhóm nghiên cứu đã thiết kế cấu trúc cực âm – cực dương riêng biệt: sử dụng hydrogel sinh học làm cực dương, và hydrogel alginate chứa kali ferricyanide làm cực âm. Thông qua công nghệ in 3D, họ đã tạo ra cấu trúc điện cực hiệu suất cao và xây dựng thành công hệ thống pin sinh học siêu nhỏ chỉ bằng đồng xu. Nguồn phát điện của pin đến từ hoạt động trao đổi chất của vi khuẩn trong hydrogel, và chỉ sau 10 giờ nuôi cấy, pin đã đạt điện áp 450 mV.
Quy trình chế tạo và phân tích tính năng của pin sinh học
Đáng chú ý, pin có khả năng tự sạc, hỗ trợ tới 10 chu kỳ sạc – xả. Trong suốt quá trình này, vi khuẩn duy trì tỷ lệ sống trên 70%, thậm chí 97% vào cuối chu kỳ, chứng minh rằng vi khuẩn vẫn tiếp tục phát triển và trao đổi chất bên trong pin. Điện áp của pin tăng lên tương ứng với nồng độ K₃[Fe(CN)₆] ở cực âm.
Ngay cả sau 100 giờ hoạt động liên tục, vi khuẩn vẫn duy trì tỷ lệ sống hơn 90%.
Thử nghiệm hiệu suất cho thấy, loại pin này có độ ổn định chu kỳ cao, tổn thất năng lượng thấp, và đặc biệt không sử dụng kim loại quý hiếm như coban, lithium hay các chất điện giải độc hại, giúp nó trở nên thân thiện với môi trường và có tính bền vững vượt trội.
Sơ đồ minh họa chế tạo pin sinh học di động cỡ nhỏ và ứng dụng kích thích điện sinh học
Công trình này thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị sinh học di động, đồng thời mở rộng giới hạn nghiên cứu trong lĩnh vực vật liệu năng lượng sống. Pin sinh học, hay còn gọi là pin nhiên liệu vi sinh vật, là một dạng thiết bị năng lượng mới sử dụng hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật điện hoạt để phát điện.
Nhờ cải tiến theo hướng mini hóa và tính di động, loại pin này có tiềm năng cung cấp năng lượng cho các thiết bị tiêu thụ điện năng thấp như đồng hồ thông minh, máy tạo nhịp tim,…
Vật liệu hydrogel sống được chế tạo bằng công nghệ in 3D
Quy trình chế tạo và phân tích tính năng của pin sinh học
Đáng chú ý, pin có khả năng tự sạc, hỗ trợ tới 10 chu kỳ sạc – xả. Trong suốt quá trình này, vi khuẩn duy trì tỷ lệ sống trên 70%, thậm chí 97% vào cuối chu kỳ, chứng minh rằng vi khuẩn vẫn tiếp tục phát triển và trao đổi chất bên trong pin. Điện áp của pin tăng lên tương ứng với nồng độ K₃[Fe(CN)₆] ở cực âm.
Ngay cả sau 100 giờ hoạt động liên tục, vi khuẩn vẫn duy trì tỷ lệ sống hơn 90%.
Thử nghiệm hiệu suất cho thấy, loại pin này có độ ổn định chu kỳ cao, tổn thất năng lượng thấp, và đặc biệt không sử dụng kim loại quý hiếm như coban, lithium hay các chất điện giải độc hại, giúp nó trở nên thân thiện với môi trường và có tính bền vững vượt trội.
