Hace unos diez años, investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia en Atlanta demostraron una forma de recolectar energía vibratoria. Su dispositivo era simple, esencialmente dos hojas de material puestas en contacto y luego flexionadas. Si los materiales se seleccionan cuidadosamente, este proceso transfiere carga de una hoja a otra, generando un voltaje entre ellas, fenómeno conocido como efecto triboeléctrico. Doblar el material en la otra dirección invierte la polaridad.
El dispositivo resultante, un nanogenerador triboeléctrico, es hoy objeto de intensos estudios. La esperanza es que pueda alimentar una nueva generación de dispositivos conectados a Internet al recolectar energía de casi cualquier movimiento o vibración mecánica.
Pero hay un problema, uno que es casi omnipresente en la industria electrónica: los residuos. Los nanogeneradores triboeléctricos están hechos de láminas de diferentes tipos de plásticos, por ejemplo, politetrafluoroetileno o (PTFE), etileno propileno fluorado y tereftalato de polietileno (PET).
Preguntas sobre residuos
Estos son comunes, relativamente baratos y fáciles de hacer. Pero, en última instancia, se derivan del petróleo, son estables y duraderos con varios impactos ambientales conocidos. Ese es un legado ambiental desagradable que sería mejor evitar. ¿Pero cómo?
Ahora tenemos una respuesta gracias al trabajo de Jianfeng Ping en la Universidad de Zhejiang en China y colegas que han encontrado una manera de fabricar nanogeneradores triboeléctricos a partir de proteínas de origen vegetal que son biodegradables. El resultado es un dispositivo de recolección de energía que se puede eliminar como cualquier otra forma de desecho orgánico.
El equipo comenzó creando biopelículas utilizando proteínas que son subproductos naturales del procesamiento de cultivos como arroz, trigo, maní y soja. Combinaron estas proteínas con una película de ácido poliláctico para crear una capa en la que podrían probar los efectos triboeléctricos cuando se pusieron en contacto con una película de PDA, otro polímero biodegradable.
Resulta que la proteína de arroz produce el efecto de voltaje más poderoso. El equipo cree que esto es el resultado de la estructura química de la proteína, en particular la forma en que los grupos amida se unen a las moléculas de agua.
Es este enlace de hidrógeno en el que parece influir la fricción, creando un voltaje. “Podemos concluir que el grado de acoplamiento con las moléculas de agua es un factor importante en la positividad triboeléctrica”, dicen Jianfeng y sus colegas.
Entonces, ¿qué se puede hacer con un nanogenerador triboeléctrico biodegradable? Los investigadores dicen que una de las aplicaciones es fomentar el crecimiento de las plantas. Señalan que varios estudios han demostrado que las plantas que crecen en campos eléctricos tienden a ser más grandes y crecer más rápido, probablemente porque el campo fomenta el flujo de moléculas de agua altamente polares a través del tejido vegetal.
Esta técnica nunca se ha utilizado ampliamente debido a la infraestructura electrónica necesaria para que funcione. Pero las láminas biodegradables que pueden producir el voltaje requerido podrían cambiar eso.
Como prueba de concepto, Jianfeng y compañía cultivaron repollo de apio chino, o bok choi, a través de láminas perforadas de nanogeneradores biodegradables que generaban un campo de hasta 180V. Compararon las tasas de crecimiento y el tamaño de plantas cultivadas en condiciones similares pero sin los voltajes. “Nuestros resultados sugieren que el uso de bio-[triboelectric nanogenerators] dado que las películas de mantillo pueden promover el crecimiento de bok choi, y las plantas más cercanas al campo eléctrico producido por la película de mantillo exhiben efectos de crecimiento más obvios ”, dice el equipo.
Posteriormente, observaron la biodegradación de las láminas, diciendo que la película de proteína de arroz se degradó por completo en 127 días.
Es un trabajo interesante que allana el camino para más investigaciones sobre el potencial agrícola de los nanogeneradores biodegradables. Claramente, hay muchas preguntas para investigar, como el rendimiento general de este proceso, cómo afecta el crecimiento de plantas no deseadas y el uso de herbicidas, el costo general, etc.
Pero la noción de que se pueden fabricar nanogeneradores electrónicos utilizando productos de desecho del procesamiento de alimentos es sin duda importante y vale la pena investigarla con más detalle.
Ref: Nanogenerador triboeléctrico biodegradable habilitado con proteínas vegetales para la agricultura sostenible: arxiv.org/abs/2110.01891