A fonte de energia açucarada gera cerca de 43 microwatts por centímetro quadrado de eletricidade, atingindo a maior densidade de potência de qualquer célula de combustível de glicose até à data em condições ambientais.
O novo dispositivo é também durável, capaz de suportar temperaturas até 600 graus Celsius. Se incorporada num implante médico, a célula de combustível poderia permanecer estável durante o processo de esterilização a alta temperatura exigido para todos os dispositivos implantáveis.
O núcleo do novo dispositivo é feito de cerâmica, um material que mantém as suas propriedades eletroquímicas mesmo a altas temperaturas e à escala microscópica. Os investigadores prevêem que o novo design poderá ser transformado em filmes ou revestimentos ultrafinos e aplicado em implantes para alimentar passivamente os componentes eletrónicos, utilizando a abundante glicose presente no organismo.
"A glicose está presente em todo o corpo, e a ideia é recolher essa energia prontamente disponível e usá-la para alimentar dispositivos implantáveis", explica Philipp Simons, que desenvolveu o projeto no âmbito da sua tese de doutoramento no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais (DMSE) do MIT. "No nosso trabalho, demonstramos uma nova eletroquímica das células de combustível de glicose.".
"Em vez de utilizar uma bateria, que pode ocupar 90% do volume de um implante, poderia fabricar um dispositivo com uma película fina e teria uma fonte de energia sem volume adicional", diz Jennifer LM Rupp, orientadora da tese de Simons e professora visitante no DMSE, que é também professora associada de química de eletrólitos de estado sólido na Universidade Técnica de Munique (Alemanha).
Simons e os seus colegas detalham hoje o seu projeto na revista Advanced Materials. Os coautores do estudo incluem Rupp, Steven Schenk, Marco Gysel e Lorenz Olbrich.
Uma separação "difícil"
A inspiração para a nova célula de combustível surgiu em 2016, quando Rupp, especialista em cerâmica e dispositivos eletroquímicos, foi fazer um exame de rotina à glicemia no final da gravidez.
"No consultório médico, estava realmente aborrecido com a eletroquímica, imaginando o que poderia ser feito com o açúcar e a eletroquímica", recorda Rupp. "Depois percebi que seria ótimo ter um dispositivo de estado sólido alimentado a glicose. Por isso, o Philipp e eu encontrámo-nos para tomar um café e esboçámos os primeiros desenhos num guardanapo.".
A equipa não é a primeira a conceber uma célula de combustível de glicose, que foi inicialmente introduzida na década de 1960 e mostrou potencial para converter a energia química da glicose em energia elétrica. Mas as células de combustível de glicose daquela época eram baseadas em polímeros flexíveis e foram rapidamente eclipsadas pelas baterias de iodeto de lítio, que se tornariam a fonte de energia padrão para implantes médicos, particularmente o pacemaker cardíaco.
No entanto, as baterias têm um limite de tamanho, pois o seu design requer capacidade física para armazenar energia.
"As células de combustível convertem a energia diretamente em vez de a armazenar num dispositivo, pelo que não precisa de todo o volume necessário para armazenar energia numa bateria", diz Rupp.
Nos últimos anos, os cientistas voltaram a estudar as células de combustível de glicose como fontes de energia potencialmente mais pequenas, alimentadas diretamente pela glicose abundante no corpo.
O princípio básico de uma célula de combustível de glicose consiste em três camadas: um ânodo superior, um eletrólito intermédio e um cátodo inferior. O ânodo reage com a glicose presente nos fluidos corporais, transformando o açúcar em ácido glicónico. Esta conversão eletroquímica liberta um par de protões e um par de eletrões. O eletrólito intermédio separa os protões dos eletrões, conduzindo os protões através da célula de combustível, onde se combinam com o ar para formar moléculas de água, um subproduto inofensivo que flui com o fluido corporal. Enquanto isso, os eletrões isolados fluem para um circuito externo, onde podem ser utilizados para alimentar um dispositivo eletrónico.
A equipa procurou melhorar os materiais e designs existentes modificando a camada eletrolítica, que é normalmente feita de polímeros. No entanto, as propriedades dos polímeros, juntamente com a sua capacidade de conduzir protões, degradam-se facilmente a altas temperaturas, são difíceis de preservar quando reduzidos a dimensões nanométricas e são desafiantes de esterilizar. Os investigadores questionaram se uma cerâmica — um material resistente ao calor que pode conduzir protões naturalmente — poderia ser utilizada como eletrólito para células de combustível de glicose.
"Quando se pensa em cerâmica para uma célula de combustível deste tipo, esta tem a vantagem da estabilidade a longo prazo, da reduzida escalabilidade e da integração com chips de silício", observa Rupp. "É um material resistente e robusto".
Potência máxima
Os investigadores desenvolveram uma célula de combustível de glicose com um eletrólito feito de céria, um material cerâmico que tem uma elevada condutividade iónica, é mecanicamente robusto e, como tal, é amplamente utilizado como eletrólito em células de combustível de hidrogénio. Também foi demonstrado que é biocompatível.
"O cério está a ser ativamente estudado na comunidade de investigação do cancro", observa Simons. "É também semelhante à zircónia, utilizada em implantes dentários, e é biocompatível e seguro.".
A equipa colocou o eletrólito com um ânodo e um cátodo de platina, um material estável que reage prontamente com a glicose. Fabricaram 150 células de combustível de glicose individuais num chip, cada uma com cerca de 400 nanómetros de espessura e cerca de 300 micrómetros de largura (aproximadamente a largura de 30 fios de cabelo humano). As células foram colocadas em wafers de silício, demonstrando que os dispositivos podem ser combinados com um material semicondutor comum. De seguida, mediram a corrente produzida por cada célula, fazendo fluir uma solução de glicose sobre cada wafer numa estação de teste construída à medida.
Descobriram que muitas células produziam uma tensão máxima de cerca de 80 milivolts. Dado o tamanho diminuto de cada célula, esta potência representa a maior densidade de potência de qualquer projeto de célula de combustível de glicose existente.
"É entusiasmante que sejamos capazes de gerar energia e corrente suficientes para alimentar dispositivos implantáveis", diz Simons.
"Esta é a primeira vez que a condução de protões em materiais electrocerâmicos pode ser utilizada para converter glicose em energia, definindo um novo tipo de electroquímica", diz Rupp. "Isto expande as aplicações de materiais, desde células de combustível de hidrogénio a novos e interessantes modos de conversão de glicose.".
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Escrito por Jennifer Chu, Assessoria de Imprensa do MIT
