Αρχική Τεχνολογία Ηλεκτρική ενέργεια από το σάκχαρο του σώματος

Ηλεκτρική ενέργεια από το σάκχαρο του σώματος

Σύνταξη: ecozen.gr

21 Μαΐου 2022 - 13:40

Silicon chip 696x392 — Τσιπ πυριτίου με 30 μεμονωμένες μικροκυψέλες καυσίμου γλυκόζης. Image: Kent Dayton

Διαφήμιση

Μια μικρο-συσκευή με πάχος όσο το 1/100 της διαμέτρου μιας ανθρώπινης τρίχας μπορεί να παράγει ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιώντας το σάκχαρο του σώματος.

Η γλυκόζη είναι το σάκχαρο που απορροφάμε από τις τροφές που τρώμε. Είναι το καύσιμο που τροφοδοτεί κάθε κύτταρο του σώματός μας. Και όπως δείχνει μια ανακάλυψη των επιστημόνων η γλυκόζη θα μπορέσει να τροφοδοτήσει τα αυριανά ιατρικά εμφυτεύματα.

Οι αισθητήρες για τη μέτρηση ζωτικών λειτουργιών, τα ηλεκτρόδια για τη βαθιά εγκεφαλική διέγερση στη θεραπεία της νόσου του Πάρκινσον και οι καρδιακοί βηματοδότες απαιτούν αξιόπιστες και συμπαγείς πηγές ενέργειας. Ωστόσο, επειδή οι μπαταρίες απαιτούν συγκεκριμένη χωρητικότητα για την αποθήκευση ενέργειας, υπάρχουν όρια στο πόσο μικρές μπορούν να είναι.

Επιστήμονες του Τεχνικού Πανεπιστημίου του Μονάχου (TUM) και του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Μασαχουσέτης (MIT) ανέπτυξαν μια κυψέλη καυσίμου γλυκόζης με πάχος μόλις 400 νανόμετρα. Αυτή η κυψέλη καυσίμου γλυκόζης παράγει ηλεκτρισμό χρησιμοποιώντας το σάκχαρο του σώματος ως πηγή ενέργειας για φαρμακευτικά εμφυτεύματα.

Η Jennifer Rupp, καθηγήτρια χημείας των ηλεκτρολυτών στερεάς κατάστασης στο TUM, δήλωσε: “Αντί να χρησιμοποιούμε μια μπαταρία, η οποία αντιπροσωπεύει το 90 τοις εκατό του όγκου ενός εμφυτεύματος, η συσκευή μας μπορεί να τοποθετηθεί ως λεπτό φιλμ σε ένα τσιπ πυριτίου ή ίσως στο μέλλον ακόμη και στην επιφάνεια του ίδιου του εμφυτεύματος“.

Πώς λειτουργεί

Η κυψέλη καυσίμου γλυκόζης περιλαμβάνει κάθοδο, άνοδο και στρώμα ηλεκτρολύτη. Η γλυκόζη από το σώμα μετατρέπεται σε γλυκονικό οξύ, το οποίο απελευθερώνει πρωτόνια στην άνοδο. Αυτά τα πρωτόνια μεταφέρονται μέσω της κυψέλης καυσίμου από τον ηλεκτρολύτη στην κάθοδο, όπου επανασυνδέονται με τον αέρα για να παράγουν μόρια νερού. Τα ηλεκτρόνια περνούν από ένα εξωτερικό ηλεκτρικό κύκλωμα για να τροφοδοτήσουν μια ηλεκτρονική συσκευή.

Ο Dr. Philipp Simons του MIT δήλωσε: “Η χρήση κυψελών καυσίμου γλυκόζης ως πηγή ενέργειας δεν είναι καινούργια: προηγούμενες συσκευές χρησιμοποιούσαν ένα πλαστικό στρώμα ηλεκτρολύτη.

Δεδομένου ότι τα πλαστικά υλικά δεν είναι συμβατά με τις συνήθεις διαδικασίες παραγωγής στη βιομηχανία ημιαγωγών, είναι δύσκολο να εφαρμοστούν σε σύγχρονα τσιπ πυριτίου σε ιατρικά εμφυτεύματα. Χρειάζονται σκληρά υλικά γι‘ αυτό. Ένα άλλο μειονέκτημα των ηλεκτρολυτών με βάση το πλαστικό είναι ότι τα πολυμερή από τα οποία αποτελείται το πλαστικό μερικές φορές καταστρέφονταν κατά την αποστείρωση των εμφυτευμάτων“.

ΒΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣ - ΜΙΚΡΟΜΠΑΤΑΡΙΑ — Βηματοδότης λειτουργεί με τη μικρο-συσκευή παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος από γλυκόζη του σώματος

Φτιαγμένο από κεραμικό

Ως εκ τούτου, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν κεραμικούς ηλεκτρολύτες για τη νέα τους κυψέλη καυσίμου. Το κεραμικό ήταν εύκολο να μικροποιηθεί και να ενσωματωθεί σε τσιπ πυριτίου και ήταν βιοσυμβατό. Επιπλέον, αντέχει σε υψηλές θερμοκρασίες.

Οι επιστήμονες δημιούργησαν 150 κυψέλες καυσίμου γλυκόζης σε ένα τσιπ. Τοποθέτησαν τα κύτταρα σε πλακίδια πυριτίου, γεγονός που υποδηλώνει ότι η συσκευή θα μπορούσε να συνδυαστεί με ένα συμβατικό ημιαγωγικό υλικό. Στη συνέχεια, άφησαν ένα διάλυμα γλυκόζης να ρέει πάνω στο πλακίδιο.

Πολλές από τις κυψέλες παρήγαγαν τάση αιχμής περίπου 80 millivolts, αρκετή για να τροφοδοτήσει, για παράδειγμα, αισθητήρες και πολλές άλλες ηλεκτρονικές συσκευές για εμφυτεύματα. Δεδομένου του μικροσκοπικού μεγέθους κάθε κυψέλης, πρόκειται για την υψηλότερη πυκνότητα ισχύος που έχει επιτευχθεί ποτέ από οποιοδήποτε σχεδιασμό κυψέλης καυσίμου γλυκόζης μέχρι σήμερα.

Ο Rupp δήλωσε: “Είναι η πρώτη φορά που η αγωγή πρωτονίων σε ηλεκτροκεραμικά υλικά έχει μετατρέψει με επιτυχία τη γλυκόζη σε ηλεκτρική ενέργεια“.

Οι ερευνητές “άνοιξαν μια νέα οδό για μικροσκοπικές πηγές ενέργειας για εμφυτευμένους αισθητήρες και ίσως άλλες λειτουργίες“, λέει ο Truls Norby, καθηγητής χημείας στο Πανεπιστήμιο του Όσλο στη Νορβηγία, ο οποίος δεν συνέβαλε στην εργασία. “Τα κεραμικά που χρησιμοποιούνται είναι μη τοξικά, φθηνά και όχι λιγότερο αδρανή τόσο στις συνθήκες του σώματος όσο και στις συνθήκες αποστείρωσης πριν από την εμφύτευση. Η ιδέα και η επίδειξη μέχρι στιγμής είναι πράγματι πολλά υποσχόμενες“.