Ученые из Испании и Аргентины создали источник питания, в котором гемоглобин служит проводником электрохимических процессов. Данная батарея способна функционировать в течение нескольких недель и подходит для использования в имплантируемых устройствах.
Гемоглобин – это белок, находящийся в эритроцитах, клетках крови, и выполняющий в организме жизненно важную роль: он транспортирует кислород от легких к тканям и возвращает углекислый газ обратно в легкие. Благодаря своим характеристикам, гемоглобин привлекает внимание ученых как потенциальный компонент электрохимических источников питания, где кислород играет значимую роль.
В 2017 году ученые из Оксфордского университета, расположенного в Великобритании, осуществили ряд экспериментов, связанных с гемоглобином и выяснили, что он хорошо подходит для окислительно-восстановительных процессов (или редокс-реакций), с их помощью химическая энергия преобразуется в электрическую.
В то же время, ряд экспертов высказали мнение о возможности использования данного ключевого белка для разработки воздушно-цинковых батарей. В процессе эксплуатации такие источники питания используют кислород, забираемый из окружающей среды, в качестве катода, и цинковый порошок – в качестве анода.
Ученые из Национального университета Кордовы (Аргентина) и Политехнического университета Картахены (Испания) осуществили попытку реализации этой концепции. Их усилия оказались успешными. Химики создали первую биосовместимую воздушно-цинковую батарею, в которой гемоглобин участвует в электрохимической реакции, преобразующей химическую энергию в электричество. При этом важно подчеркнуть, что разработанное устройство безопасно для здоровья. Результаты работы опубликованы в журнале Energy & Fuels.
В подобных батареях белки крови выступают в роли катализатора, обеспечивая реакцию восстановления кислорода – важнейший процесс в электрохимических устройствах, предназначенных для преобразования и накопления энергии. При этом, после поступления воздуха в батарею, кислород вступает в реакцию, приводящую к образованию воды. В результате высвобождаются электроны, которые затем направляются к цинковому аноду, где протекает реакция окисления цинка.
«Для эффективной работы катализатору необходимо обладать двумя ключевыми свойствами: способность к быстрому поглощению молекул кислорода и способность к относительно простому образованию молекул воды. Эти характеристики полностью соответствуют гемоглобину», — пояснил Мануэль Луна был одним из разработчиков данного исследования.
Ученый сообщил, что прототип батареи, разработанный его группой, функционировал при использовании 0,165 миллиграмма гемоглобина и обеспечивал работу в течение 20-30 дней. Эти источники питания обладают повышенной устойчивостью к воздействию неблагоприятных факторов внешней среды, что отличает их от других аккумуляторов и делает возможным безопасное применение в кардиостимуляторах и других имплантируемых устройствах.
Главным недостатком новой разработки, по мнению исследователей, является отсутствие возможности перезарядки. Для решения этой проблемы ученые ищут биологический белок, способный преобразовывать воду обратно в кислород. Устройство предназначено для использования исключительно в кислородной среде и не сможет функционировать в космосе.