Создан крошечный биосовместимый суперконденсатор, генерирующий напряжение аналогичное батарейке типа ААА (2 фото)
В процессе внедрения современных технологий в медицинскую практику, миниатюризации электронных датчиков, вживляемых в организм, а также установки внутрисосудистых имплантатов медицинские работники сталкиваются с проблемой хранения энергии, необходимой для автономной работы микроскопических устройств. Исследование группы немецких ученых из Технологического университета Хемница и дрезденского Института твердого тела и материалов им. Лейбница привели к созданию прототипа биологически совместимого «нано-суперконденсатора» (nBSC). На сегодня экспериментальный образец уже работает в искусственной кровеносной системе, обеспечивая энергией крошечный сенсор, измеряющий уровень рН крови.
Главным достоинством nBSC, по мнению руководителя проекта профессора Оливера Шмидта, стала полная биологическая совместимость конденсатора, а также высокая эффективность прибора, обеспечивающего создание напряжения сопоставимого с напряжением стандартной батарейки типа ААА. Энергии nBSC достаточно для поддержания длительной автономной работы медицинских датчиков внутри человеческого тела. Например, измерение уровня рН крови в режиме реального времени обеспечит своевременное обнаружение раковых опухолей на ранних стадиях. В настоящее время для аналогичных приборов используются опасные для организма человека аккумуляторы на коррозионных электролитах, которые биологически несовместимы, а также быстро разряжаются в случае дефектов и загрязнения.
Самые маленькие из современных серийных накопителей энергии имеют размер свыше 3 куб. мм. Команда профессора Оливера Шмидта создала трубчатый nBSC, который в 3000 раз меньше существующих и имеет объем 0,001 куб. мм (1 нанолитр), занимает меньше места, чем пылинка, и при этом обеспечивает напряжение питания до 1,6 В для микроэлектронных датчиков. Уровень мощности также примерно эквивалентен напряжению стандартной батареи AAA, хотя фактический ток значительно ниже, чем в батарейке.
При создании уникальных nBSC германские ученые использовали технологию структуры оригами, что обеспечило устройству высокую прочность, гибкость и компактные размеры. Компоненты (несколько слоев полимера, соединенных светочувствительным фоторезистивным материалом), необходимые для создания суперконденсатора, размещаются на поверхности тонкой пластины под высоким механическим напряжением. После приложения механического напряжения происходит контролируемое разделение слоев материала, которые и «складываются» наподобие оригами в компактный конденсатор nBSC.
Тестирование первых прототипов биологически совместимого «нано-суперконденсатора» осуществлялось в трех средах: плазме крови, физиологическом растворе и крови. Во всех трех случаях тестовый конденсатор nBSC продемонстрировал неплохой результат. Особенно хорошо технология проявилась при работе с кровью, где нанобиосуперконденсатор показал отличный срок службы, сохраняя до 70% своей начальной емкости даже через 16 часов. Также было установлено, что кровь способна обеспечить конденсаторам nBSC повышенную (почти на 40%) производительность. Такой эффект достигается благодаря подзарядке конденсаторов от естественных окислительно-восстановительных ферментативных реакций, происходящих в крови.
Источник: .tu-chemnitz