3D打印真菌燃料電池提供可生物降解的電源解決方案

南極熊導(dǎo)讀：預(yù)計(jì)到2030年，隨著含有難以回收或不易降解部件的廢棄電子產(chǎn)品數(shù)量激增，全球電子垃圾將達(dá)到7470萬(wàn)噸。因此，開(kāi)發(fā)使用環(huán)保、無(wú)毒且可再生材料的綠色電子產(chǎn)品變得極為迫切。

△3D打印的網(wǎng)格電極包含電池陽(yáng)極室中使用的真菌

2025年1月10日，南極熊獲悉，Empa的研究人員成功開(kāi)發(fā)了一種3D打印真菌電池，這種真菌燃料電池可以為偏遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)業(yè)或研究傳感器供電。這項(xiàng)技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)在于它的環(huán)保特性。與傳統(tǒng)電池不同，這種電池不僅無(wú)毒，而且在完成任務(wù)后可以完全生物降解，大幅減少了對(duì)環(huán)境的長(zhǎng)期影響。

△這項(xiàng)研究已發(fā)表在《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》期刊上，題目為“3D打印纖維素基真菌電池”（傳送門(mén)）

該研究由Empa纖維素和木材材料實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家主導(dǎo)，歷時(shí)三年，成功制造出一種可自降解的真菌電池。盡管活細(xì)胞產(chǎn)生的電能有限，但足以驅(qū)動(dòng)溫度傳感器等小型設(shè)備運(yùn)行數(shù)天。這一應(yīng)用尤其適用于農(nóng)業(yè)和環(huán)境研究，可以為監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)和環(huán)境變化提供穩(wěn)定的能量來(lái)源。

△3D打印纖維素基真菌電池概念示意圖

打印機(jī)里的真菌

嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，這種電池并非傳統(tǒng)意義上的電池，而是所謂的微生物燃料電池。與所有生物一樣，微生物將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能量。微生物燃料電池正是利用了這種新陳代謝過(guò)程，捕獲其中的一部分能量作為電能。迄今為止，這類電池主要由細(xì)菌提供動(dòng)力。

Empa研究員Carolina Reyes指出：“我們首次將兩種真菌結(jié)合，成功制造出功能齊全的燃料電池。”兩種真菌的新陳代謝過(guò)程相互補(bǔ)充：陽(yáng)極側(cè)是一種酵母菌，代謝過(guò)程會(huì)釋放電子；而陰極上則生長(zhǎng)著一種白腐真菌，它能產(chǎn)生一種特殊酶，有助于捕獲并傳導(dǎo)電子出電池。

△3D打印導(dǎo)電墨水中的細(xì)胞具有電化學(xué)活性

這些真菌并非被“植入”電池，而是從一開(kāi)始就是電池不可分割的一部分。真菌電池的組件是通過(guò)3D打印技術(shù)制造的。這使得研究人員能夠構(gòu)建電極，以便微生物能輕松地獲取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。為此，真菌細(xì)胞被混入了打印油墨中。

纖維素和木材材料實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Gustav Nyström說(shuō)道：“找到一種能讓真菌良好生長(zhǎng)的材料已經(jīng)夠難的了。但墨水還必須易于擠出，且不會(huì)殺死細(xì)胞，當(dāng)然，我們還希望它具有導(dǎo)電性和可生物降解性�！�

得益于研究人員在生物3D打印技術(shù)方面的經(jīng)驗(yàn)，成功生產(chǎn)出一種以纖維素為基礎(chǔ)的合適墨水。真菌細(xì)胞甚至可以使用纖維素作為營(yíng)養(yǎng)物，這有助于在使用后分解電池。然而，它們首選的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源是簡(jiǎn)單的糖，這些糖被添加到電池中。Reyes解釋道：“你可以將真菌電池以干燥狀態(tài)儲(chǔ)存，并通過(guò)簡(jiǎn)單地添加水和營(yíng)養(yǎng)物在現(xiàn)場(chǎng)激活它們�！�

盡管真菌在材料科學(xué)領(lǐng)域尚未得到充分探索，但它們?cè)谏�物材料方面的潛力正在被逐漸發(fā)掘。Empa的研究人員面臨的挑戰(zhàn)之一是利用活體材料，這涉及到跨學(xué)科的合作，包括微生物學(xué)、材料科學(xué)和電氣工程。為了全面表征真菌電池，Reyes不僅需要學(xué)習(xí)電化學(xué)技術(shù)，還要將它應(yīng)用于3D打印油墨。

目前，團(tuán)隊(duì)正致力于提高真菌電池的性能和耐用性，并探索其它具有發(fā)電潛力的真菌種類。