Questa fonte di energia zuccherina genera circa 43 microwatt di elettricità per centimetro quadrato, raggiungendo la più alta densità di potenza di qualsiasi cella a combustibile a glucosio finora realizzata in condizioni ambientali.
Il nuovo dispositivo è inoltre resistente, in grado di sopportare temperature fino a 600 gradi Celsius. Se integrato in un impianto medico, la cella a combustibile potrebbe rimanere stabile durante il processo di sterilizzazione ad alta temperatura richiesto per tutti i dispositivi impiantabili.
Il nucleo del nuovo dispositivo è realizzato in ceramica, un materiale che mantiene le sue proprietà elettrochimiche anche ad alte temperature e in scala miniaturizzata. I ricercatori prevedono che il nuovo design potrebbe essere trasformato in pellicole o rivestimenti ultrasottili da applicare attorno agli impianti per alimentare passivamente i componenti elettronici, sfruttando l'abbondante riserva di glucosio del corpo.
"Il glucosio è presente in tutto il corpo e l'idea è quella di raccogliere questa energia facilmente disponibile e usarla per alimentare dispositivi impiantabili", spiega Philipp Simons, che ha sviluppato il progetto nell'ambito della sua tesi di dottorato presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali (DMSE) del MIT. "Nel nostro lavoro, dimostriamo una nuova elettrochimica delle celle a combustibile a glucosio.".
"Invece di utilizzare una batteria, che può occupare il 90% del volume di un impianto, si potrebbe realizzare un dispositivo con una pellicola sottile, ottenendo così una fonte di energia senza ingombro volumetrico", afferma Jennifer LM Rupp, relatrice della tesi di Simons e professoressa ospite presso il DMSE, nonché professoressa associata di chimica degli elettroliti allo stato solido presso l'Università Tecnica di Monaco (Germania).
Simons e i suoi colleghi descrivono in dettaglio il loro progetto oggi sulla rivista Advanced Materials. Tra i coautori dello studio figurano Rupp, Steven Schenk, Marco Gysel e Lorenz Olbrich.
Una separazione "difficile"
L'ispirazione per la nuova cella a combustibile è nata nel 2016, quando Rupp, specializzata in ceramica e dispositivi elettrochimici, si è sottoposta a un normale esame del glucosio verso la fine della gravidanza.
"Nello studio del medico, mi annoiavo davvero con l'elettrochimica e mi chiedevo cosa si potesse fare con lo zucchero e l'elettrochimica", ricorda Rupp. "Poi mi sono reso conto che sarebbe stato fantastico avere un dispositivo a stato solido alimentato dal glucosio. Così io e Philipp ci siamo incontrati per un caffè e abbiamo abbozzato i primi disegni su un tovagliolo.".
Il team non è il primo ad aver concepito una cella a combustibile a glucosio, introdotta inizialmente negli anni '60 e che aveva mostrato il potenziale per convertire l'energia chimica del glucosio in energia elettrica. Tuttavia, all'epoca le celle a combustibile a glucosio erano basate su polimeri morbidi e furono rapidamente soppiantate dalle batterie al litio-ioduro, che sarebbero diventate la fonte di alimentazione standard per gli impianti medici, in particolare per i pacemaker cardiaci.
Tuttavia, le batterie hanno un limite di dimensioni, poiché la loro progettazione richiede una capacità fisica tale da poter immagazzinare energia.
"Le celle a combustibile convertono direttamente l'energia anziché immagazzinarla in un dispositivo, quindi non è necessario tutto quel volume richiesto per immagazzinare energia in una batteria", afferma Rupp.
Negli ultimi anni, gli scienziati sono tornati a studiare le celle a combustibile a glucosio come potenziali fonti di energia di dimensioni ridotte, alimentate direttamente dal glucosio, abbondantemente presente nell'organismo.
Il design di base di una cella a combustibile a glucosio è costituito da tre strati: un anodo superiore, un elettrolita intermedio e un catodo inferiore. L'anodo reagisce con il glucosio presente nei fluidi corporei, trasformando lo zucchero in acido gluconico. Questa conversione elettrochimica rilascia una coppia di protoni e una coppia di elettroni. L'elettrolita intermedio separa i protoni dagli elettroni, conducendo i protoni attraverso la cella a combustibile, dove si combinano con l'aria per formare molecole d'acqua, un sottoprodotto innocuo che fluisce con i fluidi corporei. Nel frattempo, gli elettroni isolati fluiscono verso un circuito esterno, dove possono essere utilizzati per alimentare un dispositivo elettronico.
Il team ha cercato di migliorare i materiali e i design esistenti modificando lo strato elettrolitico, che in genere è costituito da polimeri. Tuttavia, le proprietà dei polimeri, insieme alla loro capacità di condurre protoni, si degradano facilmente ad alte temperature, sono difficili da preservare quando ridotti a dimensioni nanometriche e risultano problematiche da sterilizzare. I ricercatori si sono quindi chiesti se un materiale ceramico, un materiale termoresistente in grado di condurre protoni in modo naturale, potesse essere utilizzato come elettrolita per le celle a combustibile a glucosio.
"Quando si pensa ai materiali ceramici per una cella a combustibile di questo tipo, essi offrono il vantaggio di stabilità a lungo termine, scalabilità ridotta e integrazione con i chip di silicio", osserva Rupp. "Sono resistenti e robusti.".
potenza massima
I ricercatori hanno progettato una cella a combustibile a glucosio con un elettrolita a base di ceria, un materiale ceramico che possiede un'elevata conduttività ionica, è meccanicamente robusto e, come tale, è ampiamente utilizzato come elettrolita nelle celle a combustibile a idrogeno. Si è inoltre dimostrato biocompatibile.
"Il cerio è oggetto di studi approfonditi nella comunità scientifica che si occupa di ricerca sul cancro", osserva Simons. "È inoltre simile alla zirconia, utilizzata negli impianti dentali, ed è biocompatibile e sicuro.".
Il team ha posizionato l'elettrolita con un anodo e un catodo di platino, un materiale stabile che reagisce facilmente con il glucosio. Hanno fabbricato 150 celle a combustibile a glucosio individuali su un chip, ciascuna spessa circa 400 nanometri e larga circa 300 micrometri (all'incirca la larghezza di 30 capelli umani). Le celle sono state posizionate su wafer di silicio, dimostrando che i dispositivi possono essere combinati con un comune materiale semiconduttore. Hanno quindi misurato la corrente prodotta da ciascuna cella facendo scorrere una soluzione di glucosio su ciascun wafer in una stazione di prova appositamente costruita.
Hanno scoperto che molte celle producevano una tensione di picco di circa 80 millivolt. Date le dimensioni ridotte di ciascuna cella, questa potenza erogata rappresenta la più alta densità di potenza di qualsiasi altro modello di cella a combustibile a glucosio attualmente esistente.
"È entusiasmante essere in grado di generare energia e corrente sufficienti per alimentare dispositivi impiantabili", afferma Simons.
"Questa è la prima volta che la conduzione protonica nei materiali elettroceramici può essere utilizzata per convertire il glucosio in energia, definendo un nuovo tipo di elettrochimica", afferma Rupp. "Amplia le applicazioni di questi materiali, dalle celle a combustibile a idrogeno a nuove ed entusiasmanti modalità di conversione del glucosio.".
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Articolo a cura di Jennifer Chu, Ufficio Stampa del MIT
