در یک دستاورد علمی خیره‌کننده، دو دانشمند ایرانی، مائده محمدی‌فر و مریم رضایی، در تحقیقات جدید خود پتانسیل بی‌نظیر پروبیوتیک‌ها را در توسعه باتری‌های نسل جدید، یعنی باتری‌های حل‌شونده و زیست‌سازگار، به اثبات رسانده‌اند. این پیشرفت می‌تواند در آینده کاربردهای فراوانی در زمینه‌های زیست‌پزشکی و زیست‌محیطی داشته باشد.
فناوری “قطعات الکترونیکی گذرا” یا “زیست‌جذب‌پذیر” که در فیلم‌های علمی-تخیلی مانند “ماموریت غیرممکن” به تصویر کشیده شده‌اند، مدت‌هاست که رویای دانشمندان بوده است. “سئوخیون شان چوی”، استاد دانشگاه بینگهمتون، بیش از دو دهه است که روی کاغذ الکترونیکی یک‌بارمصرف تحقیق می‌کند. اما به گفته او، چالش اصلی در ساخت این قطعات، یافتن یک منبع تغذیه (باتری) است که پس از اتمام کار، بدون باقی گذاشتن مواد سمی در محیط یا بدن، به طور کامل تجزیه شود. باتری‌های لیتیوم-یونی رایج، به دلیل مواد سمی تشکیل‌دهنده، برای این منظور مناسب نیستند.
پروبیوتیک‌ها: راه‌حلی طبیعی برای تولید انرژی
چوی و گروه تحقیقاتی او، با الهام از پژوهش‌های قبلی خود در زمینه باتری‌های زیستی، رویکردی نوین را در پیش گرفتند: استفاده از پروبیوتیک‌ها. پروبیوتیک‌ها میکروارگانیسم‌های زنده‌ای هستند که مصرف آن‌ها برای سلامتی انسان مفید بوده و کاملاً برای محیط زیست بی‌خطر هستند. این ویژگی‌ها، آن‌ها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای ساخت باتری‌های زیست‌جذب‌پذیر تبدیل می‌کند.
دکتر مائده محمدی‌فر، فارغ‌التحصیل آزمایشگاه چوی در بیوالکترونیک و میکروسیستم‌ها، نقش کلیدی در این پژوهش ایفا کرده است. او در دوران دانشجویی خود در دانشگاه بینگهمتون، اولین پیل سوختی حل‌شونده مبتنی بر باکتری را ابداع کرد. چوی در این باره می‌گوید: “ما از باکتری‌های شناخته‌شده‌ای استفاده کردیم که قابلیت تولید برق دارند و در بالاترین سطح ایمنی زیستی قرار گرفته‌اند. اما همچنان نگرانی‌هایی در مورد رهاسازی آن‌ها در طبیعت وجود داشت.”
از چالش تا نوآوری: نقش مریم رضایی
مریم رضایی، دانشجوی مقطع دکتری دانشگاه بینگهمتون، سرپرستی بخش جدیدی از این پژوهش را بر عهده گرفت. او از ترکیبی از ۱۵ پروبیوتیک از پیش ساخته‌شده در آزمایش‌های خود استفاده کرد. چوی در مورد این مرحله از تحقیق توضیح داد: “ما می‌دانستیم پروبیوتیک‌ها ایمن و زیست‌سازگار هستند، اما مطمئن نبودیم که آیا توانایی تولید برق را نیز دارند یا خیر. نتایج اولیه ناامیدکننده بود، اما ما تسلیم نشدیم.”
آن‌ها با مهندسی سطح یک الکترود با استفاده از پلیمر و نانوذرات خاص، به بهبود عملکرد الکتروکاتالیستی پروبیوتیک‌ها کمک کردند. این الکترود اصلاح‌شده، متخلخل و زبر بود و شرایط ایده‌آلی را برای اتصال و رشد باکتری‌ها فراهم می‌کرد که به نوبه خود، قابلیت الکتروژنیک (تولید برق) ریزارگانیسم‌ها را به طرز چشمگیری افزایش داد.
علاوه بر این، پوشش دادن کاغذ حل‌شونده با یک پلیمر حساس به پی‌اچ پایین (که تنها در محیط‌های اسیدی مانند مناطق آلوده یا دستگاه گوارش انسان فعال می‌شود) به افزایش ولتاژ خروجی و مدت زمان کارکرد باتری کمک کرد.
آینده باتری‌های زیستی: گام‌های بعدی
اگرچه پروبیوتیک‌ها در این مرحله تنها مقادیر کمی برق تولید کرده‌اند، اما چوی این آزمایش‌ها را به عنوان “اثبات مفهوم” و پایه‌ای برای تحقیقات آینده می‌بیند. او معتقد است که باید تحقیقات بیشتری برای شناسایی دقیق‌تر پروبیوتیک‌هایی که ژن‌های الکتریکی قوی‌تری دارند و چگونگی تعامل هم‌افزایی آن‌ها برای افزایش تولید برق، انجام شود.
این گروه همچنین در این پژوهش، یک واحد باتری زیستی را ابداع کرده‌اند. گام بعدی، اتصال این واحدها به صورت سری یا موازی برای افزایش توان خروجی برق است. این پژوهش مهم در مجله “Small” به چاپ رسیده است، نشریه‌ای معتبر در حوزه نانوفناوری و علوم مواد.
این دستاورد نه تنها دریچه‌های جدیدی را به روی فناوری‌های الکترونیکی زیست‌جذب‌پذیر می‌گشاید، بلکه امیدها را برای توسعه دستگاه‌هایی که سازگار با محیط زیست و بدن انسان هستند، افزایش می‌دهد. آیا این فناوری می‌تواند آینده ابزارهای پزشکی و حسگرهای محیطی را دگرگون کند؟