Stora mängder fisk konsumeras i Indien dagligen, som genererar en enorm mängd fisk "bioavfall" material. I ett försök att göra något positivt med detta bioavfall, ett team av forskare vid Jadavpur University i Koltata, Indien utforskade att återvinna fiskens biprodukter till en energiskördare för självdriven elektronik.

Grundförutsättningen bakom forskarnas arbete är enkel:Fiskfjäll innehåller kollagenfibrer som har en piezoelektrisk egenskap, vilket innebär att en elektrisk laddning genereras som svar på en mekanisk påkänning. Som laget rapporterar denna vecka i Bokstäver i tillämpad fysik , de kunde utnyttja denna egenskap för att tillverka en bio-piezoelektrisk nanogenerator.

Att göra detta, forskarna först "samlade in bioavfall i form av hårt, rå fiskfjäll från en fiskförädlingsmarknad, och använde sedan en avmineraliseringsprocess för att göra dem transparenta och flexibla, " förklarade Dipankar Mandal, assisterande professor, Laboratorium för organiska nano-piezoelektriska enheter, Institutionen för fysik, vid Jadavpur University.

Kollagenerna i de bearbetade fiskfjällen fungerar som ett aktivt piezoelektriskt element.

"Vi kunde göra en bio-piezoelektrisk nanogenerator - en energiskördare - med elektroder på båda sidor, och sedan laminerade det, sa Mandal.

Även om det är välkänt att en enda kollagen nanofiber uppvisar piezoelektricitet, hittills har ingen försökt fokusera på att hierarkiskt organisera kollagennanofibrillerna i de naturliga fiskfjällen.

"Vi ville utforska vad som händer med det piezoelektriska utbytet när ett gäng kollagen nanofibriller är hierarkiskt väl inriktade och självmonterade i fiskfjäll, ", tillade han. "Och vi upptäckte att piezoelektriciteten hos fiskfjällskollagen är ganska stor (~5 pC/N), vilket vi kunde bekräfta genom direkt mätning."

Bortom det, polarisations-elektriska fälthysteresloopen och den resulterande töjningselektriska fälthysteresloopen – bevis på en omvänd piezoelektrisk effekt – orsakad av den "icke-linjära" elektrostriktionseffekten backade upp deras upptäckter.

Teamets arbete är den första kända demonstrationen av den direkta piezoelektriska effekten av fiskfjäll från elektricitet som genereras av en bio-piezoelektrisk nanogenerator under mekanisk stimuli - utan behov av några postelektriska polingbehandlingar.

"Vi är väl medvetna om nackdelarna med efterbehandlingsbehandlingar av piezoelektriska material, " konstaterade Mandal.

För att utforska fiskfjällskollagenets självinställningsfenomen, forskarna använde nära-kant röntgenabsorptions-finstrukturspektroskopi, mätt vid Raja Ramanna Center for Advanced Technology i Indore, Indien.

Experimentella och teoretiska tester hjälpte dem att klargöra den bio-piezoelektriska nanogeneratorns energirenande prestanda. Den kan ta bort flera typer av omgivande mekaniska energier – inklusive kroppsrörelser, maskin- och ljudvibrationer, och vindflöde. Även om du upprepade gånger rör vid den bio-piezoelektriska nanogeneratorn med ett finger kan mer än 50 blå lysdioder tändas.

"Vi förväntar oss att vårt arbete i hög grad kommer att påverka området för självdriven flexibel elektronik, " sa Mandal. "Till dags dato, trots flera extraordinära ansträngningar, ingen annan har kunnat göra en biologiskt nedbrytbar energiskördare på en kostnadseffektiv, enstegsprocess."

Gruppens arbete kan potentiellt användas inom transparent elektronik, biokompatibel och biologiskt nedbrytbar elektronik, ätbar elektronik, självdrivna implanterbara medicinska apparater, operationer, e-sjukvårdsövervakning, såväl som in vitro och in vivo diagnostik, förutom dess otaliga användningsområden för bärbar elektronik.

"I framtiden, vårt mål är att implantera en bio-piezoelektrisk nanogenerator i ett hjärta för pacemakerenheter, där den kontinuerligt genererar kraft från hjärtslag för enhetens drift, " sa Mandal. "Då kommer det att försämras när det inte längre behövs. Eftersom hjärtvävnad också består av kollagen, vår bio-piezoelektriska nanogenerator förväntas vara mycket kompatibel med hjärtat."

Gruppens bio-piezoelektriska nanogenerator kan också hjälpa till med riktad läkemedelsleverans, som för närvarande genererar intresse som ett sätt att återhämta cancerceller in vivo och även för att stimulera olika typer av skadade vävnader.

"Så vi förväntar oss att vårt arbete kommer att ha enorm betydelse för nästa generations implanterbara medicinska apparater, " han lade till.

"Vårt slutmål är att designa och konstruera sofistikerad intagbar elektronik sammansatt av giftfria material som är användbara för ett brett spektrum av diagnostiska och terapeutiska tillämpningar, sa Mandal.