Impresión 3D de electrodos de acero inoxidable. A) Ilustración conceptual del proceso de impresión 3D para fabricar electrodos de acero inoxidable. b) Fotografías de estructuras de acero inoxidable impreso en 3D en varios tamaños y desde diferentes ángulos, acompañados de una tabla que detalla sus dimensiones y volúmenes. Crédito: Investigación avanzada de energía y sostenibilidad (2025). Doi: 10.1002/aesr.202500199
Las innovaciones de ingeniería generalmente requieren largas horas en el laboratorio, con mucha prueba y error a través de la experimentación antes de concentrarse en la mejor solución.
Pero a veces, si tienes suerte, la respuesta puede estar justo debajo de tu nariz, o en este caso, debajo de tus pies.
El profesor de la Universidad de Binghamton, Seokheun “Sean” Choi, ha desarrollado una serie de biobatrías alimentadas por bacterias durante la última década, basándose en lo que ha aprendido a mejorar la próxima iteración. La mayor limitación no es su imaginación, siempre está haciendo malabares con varios proyectos a la vez, pero los materiales con los que tiene que trabajar.
Cuando Choi, un miembro de la facultad en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Facultad de Ingeniería de Thomas J. Watson, necesitaba un colaborador que podía crear un componente especializado de acero inoxidable, encontró a alguien que justo abajo desde su oficina en el edificio de ingeniería y ciencias de Binghamton.
Resulta que el profesor asistente Dehao Liu del Departamento de Ingeniería Mecánica de Watson es un experto en tecnología láser del lecho de polvo (LPBF), un nuevo método para la impresión de microarquitecturas de acero inoxidable.
“LPBF es ideal para biobterias porque permite estructuras 3D personalizables de alta precisión con geometrías complejas, esenciales para maximizar el área superficial y la densidad de energía”, dijo Liu.
Ellos recientemente publicado Un artículo en la revista Advanced Energy & Sostenity Research que describe sus hallazgos, que podría ayudar a alimentar dispositivos pequeños y autónomos, como sensores para Internet de las cosas que conecta cada vez más todo en nuestras vidas.
Otros investigadores en el proyecto son el profesor asistente de ECE, Anwar Elhadad, Ph.D.; Yang “Lexi” Gao (su actual estudiante de doctorado); y el Ph.D. de Liu Estudiantes, Guangfa Li y Jiaqi Yang.
“Estoy muy feliz por esta colaboración”, dijo Choi. “Hace que esta iteración de la biobertura sea muy significativa para mí”.
Las endosporas proporcionan el combustible para una reacción electroquímica que genera corriente eléctrica. Estas formas latentes de bacterias muestran una resiliencia excepcional del estrés ambiental y se activan cuando las condiciones son favorables.
La biobertura necesita tres componentes para funcionar: un electrodo positivo (el cátodo), un electrodo negativo (el ánodo) y una membrana donde los iones intercambiados entre los dos generan una corriente eléctrica. Para la mejor potencia de salida, el ánodo, donde están las bacterias, deben ser tridimensionales, para que los organismos puedan colonizar y prosperar en la menor cantidad de espacio.
“Un ánodo bidimensional no es eficiente”, dijo Choi. “Los nutrientes no se administrarán de manera efectiva a las bacterias, y sus desechos no pueden salir de manera efectiva”.
Para complicar la producción de ánodos 3D es que los materiales a base de carbono o a base de polímeros tienen baja conductividad eléctrica y, a menudo, son demasiado frágiles para el uso diario. Sus procesos de microfabricación también requieren altas temperaturas, que pueden ser mortales para las bacterias.
“Hace dos años, comenzamos a usar malla de acero inoxidable como ánodo, porque su conductividad es realmente buena y es estructuralmente muy fuerte”, dijo Choi. “Tuvimos éxito en la integración de la celda de combustible microbiana en electrónica como esta. El problema con la malla disponible comercialmente es que no podemos controlar la porosidad y la rugosidad de la misma. Solo lo compraríamos y luego caemos en las células bacterianas”.
El proceso LPBF deposita una capa de polvo de metal, se derrite y luego lo solidifica usando un láser para crear una capa sólida de metal, y esas capas bidimensionales se unen para construir componentes 3D. Los detalles de la pieza impresa se pueden planificar hasta el nivel nanocópico.
“Vimos el potencial aquí”, dijo Choi. “Luego preparamos otros componentes usando la impresión 3D también, como una cubierta de sellado y la parte del cátodo, y simplemente los ensamblamos como ladrillos LEGO”.
Las biobterias se pueden apilar en serie o paralelas para aumentar la salida, con seis baterías que logran casi 1 miliwatt, suficiente para alimentar una pantalla de cristal líquido de transistor de transistor de 3.2 pulgadas. Es una de las salidas eléctricas más altas que Choi ha alcanzado entre sus diseños de biobateria.
Choi señaló que los componentes de acero inoxidable tienen otra ventaja: “Puede separar las células bacterianas y luego reutilizarlas, y mostramos después de varios usos que se mantienen los niveles de potencia”.
Innovación ‘inspiradora’
Para Elhadad, este último artículo se deriva directamente de la investigación doctoral que hizo como estudiante de Choi.
“Mi doctorado se centró en el desarrollo de sistemas bioelectrónicos que integren tecnologías sostenibles de recolección de energía, particularmente celdas de combustible microbianas”, dijo. “Esta investigación se basa en esa base al abordar algunos de los desafíos clave que encontré durante mi disertación, particularmente la necesidad de materiales de electrodo escalables, de alto rendimiento y estructuralmente robustos”.
Elhadad agregó que trabajar con Choi es “inspirador e intelectualmente estimulante”.
“Fomenta la creatividad y empuja los límites de lo que es posible, especialmente cuando se trata de integrar biología con electrónica”, dijo. “Nuestra colaboración es muy práctica, desde el diseño de experimentos hasta la resolución de materiales y técnicas de fabricación. Tiene una visión clara pero siempre está abierto a nuevas ideas, lo que hace que nuestro trabajo se sienta estructurado e innovador”.
Mirando hacia el futuro, el equipo de Binghamton le gustaría idear un método de impresión unificado para los componentes de la biobertura, en lugar de crear cada uno de ellos por separado. Otro objetivo es mejorar la recolección de energía a través de un sistema de gestión de energía para controlar la carga y descarga de la batería, similar a una celda solar.
Más información: Anwar Elhadad et al, hacia el biopoder de biopoder en el CHIP en CHIP sostenible, de alto rendimiento y escalable: biobatrías microbianas con ánodos de acero inoxidable impreso en 3D y biocatalizadores basados en esporas, energía avanzada e investigaciones de sostenibilidad (2025). Dos: 10.1002/aesr.202500199
Proporcionado por la Universidad de Binghamton
Cita: el componente de acero inoxidable aumenta la biobateria basada en bacterias (2025, 22 de julio) Recuperado el 22 de julio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-07-07-stentiling-steel-component-boosts-bacteria.html
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