В человеческом организме сахар способен использоваться для производства электричества. Благодаря специальному топливному элементу глюкозу можно преобразовать в энергию для медицинских имплантов, которым сейчас нужны аккумуляторы.
Речь идет о глюкозе — сахаре, который человеческий организм усваивает из пищи и использует для получения энергии. Некоторые исследователи считают, что глюкоза может выполнять еще больше функций. Преобразуя его в электричество, можно было бы питать медицинские имплантаты, например, кардиостимуляторы. Команда ученых из Массачусетского технологического института (MIT) и Технического университета Мюнхена разработала устройство. Их результаты опубликованы в журнале… .
«Глюкоза присутствует во всех частях организма, и концепция состоит в сборе этой энергии для подпитки вживляемых устройств. — поясняет Филипп Симонс, создавший прототип во время работы над докторской диссертацией на факультете материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института. В данном исследовании представлена новая электрохимия глюкозных топливных элементов. «.
Это топливный элемент, который преобразовывает глюкозу в небольшое количество электроэнергии. Толщина элемента составляет 400 нанометров – это сотая часть диаметра человеческого волоса. Он способен вырабатывать 43 микроватта на квадратный сантиметр, что по словам учёных является самой высокой плотностью, когда-либо испытанной на подобных устройствах. Батарея также выдерживает температуру 600 °C – эта характеристика необходима для прохождения процесса стерилизации, необходимого для введения имплантатов в человеческое тело.
Электроэнергия преобразуется непосредственно, не требуя её накопления в аккумуляторах, что позволяет сэкономить пространство. Вместо громоздкой батареи, занимающей до 90% объема имплантата, создаётся устройство с тонкими пленками. Такой подход позволит получить источник питания без значительного объёма. — Объясняет Дженнифер Л.М. Рупп, исследователь из Мюнхенского технического университета в Германии, в релизе MIT. Команда намеревается создать очень тонкие пленки, которые можно будет обёртывать вокруг имплантатов или использовать в качестве покрытия для пассивного питания. Топливные элементы вырабатывают энергию непосредственно, а не накапливают её в устройстве, поэтому не требуется большой объём для аккумулятора. «, — добавляет он.
Идея, которая существует с 1960-х годов.
Идея использовать глюкозу в качестве источника энергии не является новой, поскольку прототипы были созданы в 1960-х годах, указывает MIT. Однако в качестве основного материала использовался полимер, который имеет низкую термостойкость. Его свойства также сложно сохранять неизменными на наномасштабе, поэтому этот тип генераторов был быстро вытеснен литий-йодидными батареями. Учёные выбрали керамику, которая сохраняет свои электрохимические свойства даже при очень высоких температурах.
Этот «преобразователь глюкозы» выполняет основную задачу: топливный элемент состоит из анода (положительного полюса), центрального электролита (проводящего вещества) и катода (отрицательного полюса). Анод реагирует с глюкозой в жидкостях организма, превращая её в глюконовую кислоту. В процессе электрохимической реакции высвобождаются пара протонов и пара электронов. Электролит отделяет протоны от электронов, направляя их через топливный элемент, где они соединяются с воздухом, образуя молекулы воды. Эта вода покидает организм вместе с жидкостями. Протоны изолируются и поступают во внешнюю цепь, где могут использоваться для питания электронного устройства.
Слой электролита, как правило, изготовляется из полимеров. Испытания ученых, заменивших его керамикой, дали положительные результаты. При выборе керамики для таких топливных элементов с использованием глюкозы её достоинствами считаются длительная стабильность, компактность и возможность интегрировать кремниевые микросхемы. «, — отмечает Дженнифер Рупп.
Команда поместила в керамический электролит анод и катод из платины — стабильного материала, который легко вступает в реакцию с глюкозой. Было изготовлено 150 отдельных топливных элементов, реагирующих на глюкозу, и собраны их на чипе. Затем рисунок зарядных элементов был нанесен на кремниевые «пластины», продемонстрировав, что устройство может быть объединено с широко используемым полупроводниковым материалом.
Аккумулятор пока не проверяли для питания имплантата. Вместо этого измерили ток, вырабатываемый каждой клеткой в лаборатории, пропуская раствор глюкозы по каждой пластине. Испытания прошли успешно, и ученые утверждают, что достигли самой высокой концентрации электричества в устройствах такого типа, достаточной для имплантации. Получение достаточного количества энергии и тока для подзарядки имплантируемых устройств — это потрясающе. «, — восторгается Филипп Симонс.