In India si consumano quotidianamente grandi quantità di pesce, che genera un'enorme quantità di materiali di "rifiuto biologico" ittico. Nel tentativo di fare qualcosa di positivo con questi rifiuti organici, un team di ricercatori della Jadavpur University di Koltata, L'India ha esplorato il riciclaggio dei sottoprodotti del pesce in un raccoglitore di energia per l'elettronica autoalimentata.

La premessa di base alla base del lavoro dei ricercatori è semplice:le squame di pesce contengono fibre di collagene che possiedono una proprietà piezoelettrica, il che significa che viene generata una carica elettrica in risposta all'applicazione di uno stress meccanico. Come riporta il team questa settimana in Lettere di fisica applicata , sono stati in grado di sfruttare questa proprietà per fabbricare un nanogeneratore bio-piezoelettrico.

Per fare questo, i ricercatori hanno prima "raccolto rifiuti organici sotto forma di duro, squame di pesce crudo da un mercato di lavorazione del pesce, e poi utilizzato un processo di demineralizzazione per renderli trasparenti e flessibili, " ha spiegato Dipankar Mandal, professore assistente, Laboratorio di dispositivi nano-piezoelettrici organici, Dipartimento di Fisica, all'Università di Jadavpur.

I collageni all'interno delle squame di pesce lavorate fungono da elemento piezoelettrico attivo.

"Siamo stati in grado di realizzare un nanogeneratore bio-piezoelettrico, noto anche come raccoglitore di energia, con elettrodi su entrambi i lati, e poi laminai, "disse Mandal.

Mentre è ben noto che una singola nanofibra di collagene esibisce piezoelettricità, fino ad ora nessuno aveva tentato di concentrarsi sull'organizzazione gerarchica delle nanofibrille di collagene all'interno delle scaglie naturali dei pesci.

"Volevamo esplorare cosa succede alla resa piezoelettrica quando un gruppo di nanofibrille di collagene è gerarchicamente ben allineato e autoassemblato nelle squame dei pesci, " ha aggiunto. "E abbiamo scoperto che la piezoelettricità del collagene a scaglie di pesce è piuttosto grande (~ 5 pC/N), che siamo stati in grado di confermare tramite misurazione diretta."

Oltre a questo, il ciclo di isteresi del campo elettrico di polarizzazione e il ciclo di isteresi del campo elettrico di deformazione risultante - prova di un effetto piezoelettrico inverso - causato dall'effetto di elettrostrizione "non lineare" hanno confermato le loro scoperte.

Il lavoro del team è la prima dimostrazione nota dell'effetto piezoelettrico diretto delle squame di pesce dall'elettricità generata da un nanogeneratore bio-piezoelettrico sotto stimoli meccanici, senza la necessità di alcun trattamento di polarizzazione post-elettrica.

"Siamo ben consapevoli degli svantaggi dei trattamenti di post-lavorazione dei materiali piezoelettrici, " ha osservato Mandal.

Per esplorare i fenomeni di autoallineamento del collagene a squame di pesce, i ricercatori hanno utilizzato la spettroscopia a struttura fine di assorbimento dei raggi X vicino al bordo, misurato presso il Raja Ramanna Center for Advanced Technology di Indore, India.

I test sperimentali e teorici li hanno aiutati a chiarire le prestazioni di recupero dell'energia del nanogeneratore bio-piezoelettrico. È in grado di raccogliere diversi tipi di energie meccaniche ambientali, inclusi i movimenti del corpo, vibrazioni della macchina e del suono, e il flusso del vento. Anche toccare ripetutamente il nanogeneratore bio-piezoelettrico con un dito può accendere più di 50 LED blu.

"Ci aspettiamo che il nostro lavoro avrà un grande impatto sul campo dell'elettronica flessibile autoalimentata, " Mandal ha detto. "Ad oggi, nonostante diversi sforzi straordinari, nessun altro è stato in grado di realizzare un raccoglitore di energia biodegradabile in modo economico, processo in un'unica fase".

Il lavoro del gruppo potrebbe essere potenzialmente utilizzabile nell'elettronica trasparente, elettronica biocompatibile e biodegradabile, elettronica alimentare, dispositivi medici impiantabili autoalimentati, interventi chirurgici, monitoraggio della sanità elettronica, così come la diagnostica in vitro e in vivo, a parte la sua miriade di usi per l'elettronica portatile.

"Nel futuro, il nostro obiettivo è impiantare un nanogeneratore bio-piezoelettrico in un cuore per dispositivi pacemaker, dove genererà continuamente energia dai battiti cardiaci per il funzionamento del dispositivo, " Mandal ha detto. "Poi si degraderà quando non sarà più necessario. Poiché anche il tessuto cardiaco è composto da collagene, il nostro nanogeneratore bio-piezoelettrico dovrebbe essere molto compatibile con il cuore".

Il nanogeneratore bio-piezoelettrico del gruppo può anche aiutare con la somministrazione mirata di farmaci, che attualmente sta suscitando interesse come metodo per recuperare cellule cancerose in vivo e anche per stimolare diversi tipi di tessuti danneggiati.

"Quindi prevediamo che il nostro lavoro avrà un'importanza enorme per i dispositivi medici impiantabili di prossima generazione, " Ha aggiunto.

"Il nostro obiettivo finale è progettare e progettare un'elettronica ingeribile sofisticata composta da materiali non tossici che siano utili per un'ampia gamma di applicazioni diagnostiche e terapeutiche, " disse Mandal.