Новое поколение элементов генерирует вдесятеро больше энергии на единицу площади, чем любые существующие в мире аналоги.
Эпидермальные биотопливные элементы (epidermal biofuel cells) представляют собой технологию, предназначенную в основном для медицинского применения. Сотрудники Университета Калифорнии в Сан-Диего рассчитывают питать с их помощью кардиомониторы, фитнес-браслеты и подобные им устройства.
Высокой эффективности удалось достичь благодаря сочетанию умной химии, передовых материалов и электронных интерфейсов. Эластичная электронная основа, выложенная трехмерными углеродными нанотрубками с помощью литографии и трафаретной печати, стала настоящим прорывом.
Внутри биотопливных элементов содержится энзим, который окисляет молочную кислоту из пота, генерируя постоянный электрический ток. Таким образом, приклеенная к телу пациента гибкая батарейка может стать фактически неисчерпаемым источником энергии, пока человек живет и двигается.
Подробности уникального проекта сообщаются на страницах Energy & Environmental Science.
Первые испытания прототипа продемонстрировали, что гибкий биотопливный элемент на предплечье пользователя одновременно снабжает энергией смартфон и Bluetooth-радио. Правда, для этого участнику пришлось интенсивно крутить педали велосипеда. Но это лишь первые шаги новой технологии!
Серьезным препятствием стало физиологическое снижение концентрации молочной кислоты в человеческом поте со временем. Из-за этого досадного нюанса элементы нормально работали лишь четыре минуты. В будущем исследователи надеются решить проблему с помощью миниатюрных аккумуляторов.
Профессор Джозеф Вонг (Joseph Wang), руководитель Центра носимых сенсоров при UC San Diego, разрабатывает инновационную «батарейку» в соавторстве с профессором Патриком Мерсье (Patrick Mercier) и профессором Шенг Ксу (Sheng Xu) из Школы инжиниринга Джейкобса.
Острова и мосты
Чтобы достичь полной совместимости с носимыми электронными устройствами, биотопливный элемент должен быть гибким и растяжимым. Иначе говоря, комфортным в ношении. Для этого инженеры решили построить его по схеме «острова и мосты». В основе архитектуры лежит сетка из точек, соединенных пружинными структурами. Половину точек составляют аноды, половину – катоды.Пружинные конструкции («мосты») между электродами («островами») способны изгибаться и растягиваться, благодаря чему элементы становятся гибкими, а катоды и аноды не деформируются.
На первом этапе производства из чистого золота литографией изготавливается основа для элементов. Второй этап – трафаретная печать для нанесения биотопливных материалов поверх электродной сетки.
Повышение мощности биотопливных элементов
Самой большой трудностью исследователи называют повышение возможностей элементов, выработки энергии на единицу площади. Это ключ к успеху, ведь большинство медицинских гаджетов отличаются прожорливостью и требуют больше энергии, чем давали предыдущие прототипы.
«Нам предстояло понять, какая комбинация материалов лучшая, и каким должно быть оптимальное соотношение между ними. Чтобы повысить эффективность, мы отпечатали углеродные нанотрубки с анодом и катодом на конце. Полость трубок вмещала максимум энзима, который реагирует с молочной кислотой и генерирует желанную энергию. Наконец, трубки позволяют облегчить транспорт электронов, повышая общую эффективность», - рассказал молодой ученый Амай Бандодкар (Amay Bandodkar).
Следующие шаги
Будущие работы калифорнийских исследователей сосредоточены в двух направлениях.Во-первых, используемый оксид серебра в катодах нужно защитить от света или заменить менее капризным веществом.
Во-вторых, концентрация молочной кислоты в человеческом поте уменьшается со временем, из-за чего придется аккумулировать полученную энергию для стабильной работы электроники.
Константин Моканов: магистр фармации и профессиональный медицинский переводчик