Грибы представляют собой удивительное царство жизни, которое больше связано с животными, чем с растениями, и включает в себя огромное разнообразие форм. Здесь можно найти все: от съедобных грибов до плесени, от одноклеточных организмов до крупнейшего организма на Земле, от болезнетворных патогенов до супергероев, производящих лекарства. Недавно исследователи из Empa открыли еще одну удивительную способность грибов: генерацию электричества.
В рамках трехлетнего исследовательского проекта, поддержанного фондом Gebert Rüf Stiftung, ученые из лаборатории целлюлозы и древесных материалов Empa разработали функциональную грибковую батарею. Хотя живые клетки грибов не производят много электричества, его достаточно, чтобы питать, например, датчик температуры в течение нескольких дней. Такие датчики широко используются в сельском хозяйстве и экологических исследованиях. Основное преимущество грибковой батареи заключается в том, что, в отличие от традиционных батарей, она полностью нетоксична и биоразлагаема.
Технически, это не батарея, а микробный топливный элемент. Микроорганизмы, как и все живые существа, преобразуют питательные вещества в энергию. Микробные топливные элементы используют этот метаболизм для получения электричества. Ранее такие элементы работали в основном на бактериях. «Впервые мы объединили два вида грибов для создания работающего топливного элемента», – говорит исследователь Empa Каролина Рейес. Метаболизм этих двух видов грибов дополняет друг друга: на аноде находится дрожжевой грибок, который выделяет электроны, а на катоде – белый грибок, производящий специальный фермент, который захватывает электроны и выводит их из ячейки.
Грибы не просто «сажают» в батарею, они являются неотъемлемой частью ячейки с самого начала. Компоненты грибковой батареи изготавливаются с помощью 3D-печати, что позволяет структурировать электроды таким образом, чтобы микроорганизмы могли легко получать доступ к питательным веществам. Для этого грибковые клетки смешиваются с печатными чернилами. «Трудно найти материал, в котором грибы хорошо растут», – говорит Густав Нюстрём, руководитель лаборатории целлюлозы и древесных материалов. «Но чернила также должны быть легко экструдируемыми без повреждения клеток и, конечно, электрически проводящими и биоразлагаемыми».
Благодаря обширному опыту лаборатории в области 3D-печати мягких биоматериалов, исследователи смогли создать подходящие чернила на основе целлюлозы. Грибковые клетки могут использовать целлюлозу в качестве питательного вещества и таким образом помогать разлагать батарею после использования. Однако их предпочтительным источником питания являются простые сахара, которые добавляются в элементы батареи. «Вы можете хранить грибковые батареи в сухом состоянии и активировать их на месте, просто добавив воду и питательные вещества», – говорит Рейес.
Хотя грибы выживают в сухих условиях, работа с живыми материалами поставила перед исследователями множество задач. Междисциплинарный проект объединяет микробиологию, материаловедение и электротехнику. Чтобы охарактеризовать грибковые батареи, обученному микробиологу Рейес пришлось изучить техники электрохимии и адаптировать их к чернилам для 3D-печати.
Теперь исследователи планируют улучшить мощность и долговечность грибковой батареи, а также искать другие виды грибов, которые могут быть использованы для генерации электричества. «Грибы все еще недостаточно изучены и недостаточно используются, особенно в области материаловедения», – считают Рейес и Нюстрём.
Рекомендуем ознакомиться с новой статьёй о революционном покрытии, которое снижает горючесть хлопка и может предотвратить пожары.