数か月おきに、あまりに魅力的で、人々が手に入れようと街区を取り囲むほどの新しい携帯電話やノートパソコン、タブレットが登場するようだ。新製品が絶えず登場する一方で、わずかに高性能になったエレクトロニクス製品によってアップルのような企業は大きな成功を収めてきたが、こうした製品の寿命が短いことは環境に悪影響を及ぼす。
現代のエレクトロニクス製品には、回路基板が数多く使われており、そこにはさまざまな金属やプラスチックがはんだ付けされている。その一部の素材には毒性があり、あるいは分解して有害物質になる。電子廃棄物のリサイクルを促進し、再利用可能な素材を回収し、残りを適切に処分する取り組みが進められている。しかし、大半の機器は結局、増え続ける埋め立て地の電子廃棄物の山に加わってしまう。
こうした増え続ける廃棄物の山にごみをさらに積み上げる代わりに、生分解性のエレクトロニクスをつくる道がある。そこで、ほかの研究者たちと私は、紙を基材とするエレクトロニクスの新興分野、いわゆる「ペーパートロニクス」に注目している。柔軟で、折りたたむこともでき、持続可能で環境に優しく、低コストだ。
真に環境に優しいものにするには、ペーパートロニクスで、電気を蓄えたり放出したりするために金属や腐食性の酸を使う従来型の電池は使えない。最近、化学者の同僚であるオモウンミ・サディクと私は、リサイクル可能で生分解性の紙製電池を開発した。実際に使えるだけの信頼性も備えている。その鍵となるのが細菌だ。
柔軟なバイオ電池
私はこれまで、柔軟な電池や、唾液で動く電池などを開発してきた。紙を基材とするエレクトロニクスに電力を供給するなら、紙で電池をつくるのが理にかなっていると考えた。幸い、紙は電池の素材として有望だ。柔軟で、優れた絶縁体であるため電子部品を取り付ける基盤に適しており、液体を容易に吸収・放出する。こうした電気的特性を高めるため、ポリマー、すなわちポリ（アミック酸）およびポリ（ピロメリット酸二無水物-p-フェニレンジアミン）を加えた。
電池にエネルギーを蓄えるため、電子を生み出す化学反応を起こす金属や酸の代わりに、細菌を加えた。こうした電池がいずれ商業化される際には、人や環境に安全で、ほかの汚染を抑えるために適切に封じ込められた細菌が使われる。
紙は粗く多孔質なので、細菌が付着し、植物由来の物質や廃水を含む、ほぼあらゆる有機物を分解して自らエネルギーを生み出す。現時点では、原料となる物質をあらかじめ封入しているが、環境中から得ることもできる。この化学反応によって電子が生じる。通常、細菌の反応では電子は酸素と結合するが、私たちは電池内の酸素を制限し、電極に置き換える設計にした。これにより電子の流れを捉え、機器への電力供給に利用できる。
酸素が紙の中に入り込み、細菌間の電子の流れを妨げて電池の効率を下げる可能性を懸念していた。実際にそうしたことは起きるものの、影響はごくわずかだと分かった。多数の細菌細胞が紙の繊維に非常に強く付着し、多層のバイオフィルムを形成するため、化学反応が大半の酸素から守られるのだ。
生分解する電池にすることも目指した。電池内の細菌は、エネルギーを放出し終えると、紙やポリマーを無害な成分に分解できる。水中では、分解を助ける特別な装置やほかの微生物がなくても、電池は容易に生分解した。
ポリマーと紙でできた構造体は軽量で低コスト、かつ柔軟だ。この柔軟性により、電池を普通の紙のように折りたたんだり、重ねたりできる。その結果、より小さな空間に、より多くの電池容量を収められる。
可能性と展望
ペーパートロニクスは、資源が限られた遠隔地で特に役立つ可能性がある。極限環境にも生息し、ほぼあらゆる物質を分解して電子を生み出せる細菌が電力源だからだ。整備された電力網も必要としない。さらに、紙製電池は使用後に廃棄できるよう設計されているが、その素材はリサイクル可能で、再生紙から新しい電池をつくることもできる。
紙を基材とするバイオ電池は、将来の電子機器にとって画期的だが、製造方法は比較的簡単だ。ポリマーと細菌は、ロール・ツー・ロール印刷やスクリーン印刷など従来の製造工程で紙に混ぜ込める。紙に直接塗ったり、流し込んだりすることもできる。
紙製電池には、金属、半導体、絶縁体、ナノ粒子など、ほかの素材も加えられる。これらをはじめとする物質によって紙を基材とする機器に機能や性能を追加でき、次世代エレクトロニクスへの新たな道が開かれる。
