673886040@qq.com
Ультратонкий топливный элемент генерирует электричество из собственного сахара вашего тела
Инженеры создали источник энергии глюкозы, который мог бы питать миниатюрные имплантаты и электронные датчики.
Глюкоза — это сахар, который мы поглощаем из продуктов, которые мы едим. Это топливо, которое питает каждую клетку в нашем организме. Может ли глюкоза также питать медицинские имплантаты будущего?
Так считают инженеры Массачусетского технологического института и Мюнхенского технического университета. Они разработали новый тип глюкозного топливного элемента, который преобразует глюкозу непосредственно в электричество. Устройство меньше, чем другие предлагаемые глюкозные топливные элементы, измеряя всего 400 нанометров толщиной, или около 1/100 ширины человеческого волоса. Сладкий источник энергии генерирует около 43 микроватт на квадратный сантиметр электроэнергии, достигая самой высокой плотности мощности любого глюкозного топливного элемента в условиях окружающей среды на сегодняшний день.
Новое устройство также устойчиво, способно выдерживать температуры до 600 градусов по Цельсию (1 112 по Фаренгейту). При включении в медицинский имплантат эта высокая термостойкость позволит топливному элементу оставаться стабильным благодаря высокотемпературному процессу стерилизации, необходимому для всех имплантируемых устройств.
Ядро нового устройства изготовлено из керамики, материала, который сохраняет свои электрохимические свойства даже при высоких температурах и миниатюрных масштабах. Исследователи предполагают, что новый дизайн может быть превращен в ультратонкие пленки или покрытия и обернут вокруг имплантатов для пассивного питания электроники, используя достаточный запас глюкозы в организме.
«Глюкоза повсюду в организме, и идея состоит в том, чтобы собрать эту легкодоступную энергию и использовать ее для питания имплантируемых устройств», — говорит Филипп Саймонс, который разработал дизайн в рамках своей докторской диссертации на кафедре материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института (DMSE). «В нашей работе мы показываем новую электрохимию глюкозных топливных элементов».
«Вместо того, чтобы использовать батарею, которая может занимать 90 процентов объема имплантата, вы можете сделать устройство с тонкой пленкой, и у вас будет источник питания без объемного следа», - говорит Дженнифер Л. М. Рапп, научный руководитель Саймонса и приглашенный профессор DMSE, который также является доцентом химии твердотельных электролитов в Техническом университете Мюнхена в Германии.
Саймонс и его коллеги подробно описали свой дизайн недавно в журнале Advanced Materials. Соавторами исследования являются Рапп, Стивен Шенк, Марко Гайзел и Лоренц Ольбрих.
Вдохновение для нового топливного элемента пришло в 2016 году, когда Рапп, которая специализируется на керамике и электрохимических устройствах, пошла проходить обычный тест на глюкозу к концу своей беременности.
«В кабинете врача я был очень скучающим электрохимиком, думая, что можно сделать с сахаром и электрохимией», — вспоминает Рапп. «Тогда я понял, что было бы хорошо иметь твердотельное устройство, работающее на глюкозе. А мы с Филиппом встретились за кофе и выписали на салфетке первые рисунки».
Команда не первая, кто задумал глюкозный топливный элемент, который был первоначально представлен в 1960-х годах и показал потенциал для преобразования химической энергии глюкозы в электрическую энергию. Но глюкозные топливные элементы в то время были основаны на мягких полимерах и быстро затмили литий-йодидные батареи, которые стали стандартным источником питания для медицинских имплантатов, в первую очередь кардиостимулятора.
Тем не менее, батареи имеют предел тому, насколько маленькими они могут быть сделаны, так как их конструкция требует физической емкости для хранения энергии.
«Топливные элементы напрямую преобразуют энергию, а не хранят ее в устройстве, поэтому вам не нужен весь тот объем, который необходим для хранения энергии в батарее», — говорит Рапп.
В последние годы ученые еще раз взглянули на топливные элементы глюкозы как на потенциально меньшие источники энергии, подпитываемые непосредственно обильной глюкозой организма.
Базовая конструкция глюкозного топливного элемента состоит из трех слоев: верхнего анода, среднего электролита и нижнего катода. Анод реагирует с глюкозой в жидкостях организма, превращая сахар в глюконовую кислоту. Это электрохимическое преобразование высвобождает пару протонов и пару электронов. Средний электролит действует, чтобы отделить протоны от электронов, проводя протоны через топливный элемент, где они объединяются с воздухом, образуя молекулы воды - безвредный побочный продукт, который утекает с жидкостью организма. Между тем, изолированные электроны текут во внешнюю цепь, где они могут быть использованы для питания электронного устройства.
Команда стремилась улучшить существующие материалы и конструкции, изменив слой электролита, который часто изготавливается из полимеров. Но свойства полимеров, наряду с их способностью проводить протоны, легко разлагаются при высоких температурах, их трудно сохранить при уменьшении до размеров нанометров и трудно стерилизовать. Исследователи задались вопросом, может ли керамика — термостойкий материал, который может естественным образом проводить протоны — превратиться в электролит для глюкозных топливных элементов.
«Когда вы думаете о керамике для такого глюкозного топливного элемента, у них есть преимущество долгосрочной стабильности, небольшой масштабируемости и интеграции кремниевых чипов», — отмечает Рапп. «Они жесткие и надежные».
Исследователи разработали глюкозный топливный элемент с электролитом, изготовленным из церия, керамического материала, который обладает высокой ионной проводимостью, является механически прочным и, как таковой, широко используется в качестве электролита в водородных топливных элементах. Было также показано, что он биосовместим.
«Ceria активно изучается в сообществе исследователей рака», — отмечает Саймонс. «Он также похож на диоксид циркония, который используется в зубных имплантатах и является биосовместимым и безопасным».
Команда зажала электролит анодом и катодом из платины, стабильного материала, который легко реагирует с глюкозой. Они изготовили 150 отдельных глюкозных топливных элементов на чипе, каждый толщиной около 400 нанометров и шириной около 300 микрометров (шириной около 30 человеческих волосков). Они нарисовали ячейки на кремниевых пластинах, показывая, что устройства могут быть сопряжены с обычным полупроводниковым материалом. Затем они измерили ток, производимый каждой клеткой, когда они пропускали раствор глюкозы по каждой пластине на специально изготовленной испытательной станции.
Они обнаружили, что многие клетки производят пиковое напряжение около 80 милливольт. Учитывая крошечный размер каждой ячейки, этот выход является самой высокой плотностью мощности среди всех существующих конструкций глюкозных топливных элементов.
«Интересно, что мы можем потреблять мощность и ток, достаточные для питания имплантируемых устройств», — говорит Саймонс.
«Это первый случай, когда протонная проводимость в электрокерамических материалах может быть использована для преобразования глюкозы в энергию, определяя новый тип электрохимии», — говорит Рапп. «Это расширяет варианты использования материалов от водородных топливных элементов до новых, захватывающих режимов конверсии глюкозы».
Исследователи «открыли новый путь к миниатюрным источникам питания для имплантированных датчиков и, возможно, других функций», — говорит Трулс Норби, профессор химии в Университете Осло в Норвегии, который не внес свой вклад в работу. «Используемая керамика нетоксична, дешева и не в последнюю очередь инертна как к условиям в организме, так и к условиям стерилизации перед имплантацией. Концепция и демонстрация до сих пор действительно многообещающие».
Справка: «Керамическо-электролитный глюкозный топливный элемент для имплантируемой электроники» Филиппа Саймонса, Стивена А. Шенка, Марко А. Гайзела, Лоренца Ф. Ольбриха и Дженнифер Л. М. Рапп, 5 апреля 2022 года, Advanced Materials.
