科技日?qǐng)?bào)北京5月16日電 (記者張夢然)葡萄糖是人們從食物中吸收的糖分,它是為人體每個(gè)細(xì)胞提供動(dòng)力的“燃料”。那么葡萄糖是否也能為醫(yī)療植入物提供動(dòng)力?美國麻省理工學(xué)院和德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的工程師給出了肯定答案。他們設(shè)計(jì)了一種新型葡萄糖燃料電池,可將葡萄糖直接轉(zhuǎn)化為電能。該裝置厚度僅400納米,約為人類頭發(fā)直徑的1/100。該含糖電源每平方厘米產(chǎn)生約43微瓦的電力,實(shí)現(xiàn)了迄今為止葡萄糖燃料電池的最高功率密度。
帶有30個(gè)獨(dú)立葡萄糖微型燃料電池的硅芯片。圖片來源:《先進(jìn)材料》
近日,發(fā)表在《先進(jìn)材料》上的論文指出,新電池能承受高達(dá)600℃的溫度。如果嵌入醫(yī)療植入物中,燃料電池可在植入設(shè)備所需的高溫滅菌過程中保持穩(wěn)定。該電池的核心由陶瓷制成,這種材料即使在高溫和微型尺度下也能保持其電化學(xué)特性。研究人員設(shè)想,新設(shè)計(jì)可制成超薄膜或涂層,并包裹在植入物周圍,利用人體豐富的葡萄糖被動(dòng)地為電子設(shè)備供電。
在新研究中,研究人員設(shè)計(jì)了一種葡萄糖燃料電池,其電解質(zhì)由二氧化鈰制成,二氧化鈰是一種具有高離子電導(dǎo)率的陶瓷材料,機(jī)械強(qiáng)度高,因此被廣泛用作氫燃料電池的電解質(zhì),其已被證明是生物相容的。
研究團(tuán)隊(duì)將電解質(zhì)與由鉑制成的陽極和陰極夾在中間,鉑是一種容易與葡萄糖反應(yīng)的穩(wěn)定材料。他們在一個(gè)芯片上制造了150個(gè)單獨(dú)的葡萄糖燃料電池,每個(gè)約400納米薄,300微米寬(大約30根人類頭發(fā)的寬度)。團(tuán)隊(duì)將電池圖案摹刻到硅晶片上,實(shí)驗(yàn)表明電池可與常見的半導(dǎo)體材料配對(duì)。隨后他們測量了電池在定制測試站中將葡萄糖溶液流過每個(gè)晶片時(shí)產(chǎn)生的電流。
團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),許多電池產(chǎn)生的峰值電壓約為80毫伏。鑒于每個(gè)電池的尺寸很小,該輸出已是任何現(xiàn)有葡萄糖燃料電池設(shè)計(jì)中最高的功率密度。
研究人員表示:“這是第一次將電陶瓷材料中的質(zhì)子傳導(dǎo)用于葡萄糖到能量的轉(zhuǎn)換,定義了一種新型的電化學(xué)。它將材料從氫燃料電池?cái)U(kuò)展到新的、令人興奮的葡萄糖轉(zhuǎn)換模式。” 新電池使用的陶瓷無毒、便宜,而且對(duì)體內(nèi)條件和植入前的滅菌條件都呈惰性,因此為植入傳感器和其他功能的微型電源開辟了一條新途徑。
責(zé)任編輯:莊婷婷
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