Этот источник энергии на основе сахара генерирует около 43 микроватт электроэнергии на квадратный сантиметр, достигая самой высокой на сегодняшний день удельной мощности среди всех топливных элементов на основе глюкозы в условиях окружающей среды.

Новое устройство также отличается прочностью и способно выдерживать температуру до 600 градусов Цельсия. При интеграции в медицинский имплантат топливный элемент сможет сохранять стабильность на протяжении всего процесса высокотемпературной стерилизации, необходимого для всех имплантируемых устройств.

В основе нового устройства лежит керамика — материал, сохраняющий свои электрохимические свойства даже при высоких температурах и в миниатюрном масштабе. Исследователи предполагают, что новую конструкцию можно будет изготавливать в виде сверхтонких пленок или покрытий и обертывать ими имплантаты для пассивного питания электроники, используя обильные запасы глюкозы в организме.

«Глюкоза присутствует во всем организме, и идея состоит в том, чтобы собрать эту легкодоступную энергию и использовать ее для питания имплантируемых устройств», — объясняет Филипп Симонс, разработавший эту конструкцию в рамках своей докторской диссертации на кафедре материаловедения и инженерии (DMSE) Массачусетского технологического института. «В нашей работе мы демонстрируем новый электрохимический метод работы топливных элементов на основе глюкозы».

«Вместо использования батареи, которая может занимать 90 процентов объема имплантата, можно изготовить устройство с тонкой пленкой, и тогда у вас будет источник питания, не занимающий много места», — говорит Дженнифер Л.М. Рупп, научный руководитель диссертации Саймонса и приглашенный профессор DMSE, а также доцент кафедры химии твердотельных электролитов в Техническом университете Мюнхена (Германия).

Сегодня Саймонс и его коллеги подробно описывают свою разработку в журнале Advanced Materials. Соавторами исследования являются Рупп, Стивен Шенк, Марко Гизель и Лоренц Ольбрих.

Трудное расставание

Идея создания нового топливного элемента пришла к Рупп в 2016 году, когда она, специализирующаяся на керамике и электрохимических устройствах, в конце беременности отправилась на плановый анализ уровня глюкозы в крови.

«В кабинете врача мне стало очень скучно заниматься электрохимией, я задумался, что можно сделать с сахаром и электрохимией», — вспоминает Рупп. «Потом я понял, что было бы здорово иметь твердотельное устройство, работающее на глюкозе. Поэтому мы с Филиппом встретились за чашкой кофе и набросали первые эскизы на салфетке».

Эта команда не первая, кто придумал топливный элемент на основе глюкозы, который был впервые представлен в 1960-х годах и показал потенциал преобразования химической энергии глюкозы в электрическую. Но топливные элементы на основе глюкозы в то время были основаны на мягких полимерах и быстро были вытеснены литий-йодидными батареями, которые стали стандартным источником питания для медицинских имплантатов, в первую очередь для кардиостимуляторов.

Однако у батарей есть ограничение по размеру, поскольку их конструкция требует определенной физической емкости для хранения энергии.

«Топливные элементы напрямую преобразуют энергию, а не хранят ее в устройстве, поэтому вам не нужен весь тот объем, который требуется для хранения энергии в батарее», — говорит Рупп.

В последние годы ученые вернулись к изучению глюкозных топливных элементов как потенциально более компактных источников энергии, работающих непосредственно за счет большого количества глюкозы в организме.

Базовая конструкция глюкозного топливного элемента состоит из трех слоев: верхнего анода, промежуточного электролита и нижнего катода. Анод реагирует с глюкозой из биологических жидкостей, превращая сахар в глюконовую кислоту. В результате этого электрохимического превращения высвобождается пара протонов и пара электронов. Промежуточный электролит отделяет протоны от электронов, проводя протоны через топливный элемент, где они соединяются с воздухом, образуя молекулы воды — безвредный побочный продукт, который циркулирует с биологическими жидкостями. Тем временем изолированные электроны поступают во внешнюю цепь, где их можно использовать для питания электронного устройства.

Команда стремилась улучшить существующие материалы и конструкции путем модификации электролитического слоя, который обычно состоит из полимеров. Однако свойства полимеров, наряду с их способностью проводить протоны, легко ухудшаются при высоких температурах, их трудно сохранить в уменьшенном до нанометровых размеров, и их сложно стерилизовать. Исследователи задались вопросом, можно ли использовать керамику — термостойкий материал, способный естественным образом проводить протоны, — в качестве электролита для глюкозных топливных элементов.

«Когда речь заходит о керамике для топливных элементов такого типа, следует отметить ее преимущества: долговременную стабильность, малую масштабируемость и интеграцию с кремниевыми чипами», — отмечает Рупп. «Она прочная и надежная».

Максимальная мощность

Исследователи разработали глюкозный топливный элемент с электролитом из оксида церия — керамического материала, обладающего высокой ионной проводимостью, механической прочностью и, следовательно, широко используемого в качестве электролита в водородных топливных элементах. Также было показано, что он биосовместим.

«Церий активно изучается в сообществе исследователей рака», — отмечает Саймонс. «Он также похож на диоксид циркония, который используется в зубных имплантатах, и является биосовместимым и безопасным».

Команда поместила электролит с платиновым анодом и катодом — стабильным материалом, легко вступающим в реакцию с глюкозой. Они изготовили 150 отдельных топливных элементов на основе глюкозы на чипе, каждый толщиной около 400 нанометров и шириной около 300 микрометров (примерно ширина 30 человеческих волос). Элементы были размещены на кремниевых подложках, что продемонстрировало возможность объединения устройств с использованием общего полупроводникового материала. Затем они измерили ток, вырабатываемый каждым элементом, пропуская раствор глюкозы через каждую подложку на специально созданной испытательной станции.

Они обнаружили, что многие ячейки вырабатывают пиковое напряжение около 80 милливольт. Учитывая крошечные размеры каждой ячейки, это значение выходной мощности является самым высоким среди всех существующих конструкций топливных элементов на основе глюкозы.

«Очень здорово, что мы можем генерировать достаточно энергии и тока для питания имплантируемых устройств», — говорит Саймонс.

«Это первый случай, когда протонная проводимость в электрокерамических материалах может быть использована для преобразования глюкозы в энергию, что определяет новый тип электрохимии», — говорит Рупп. «Это расширяет возможности применения материалов от водородных топливных элементов до новых захватывающих способов преобразования глюкозы».

###

Автор статьи: Дженнифер Чу, пресс-служба Массачусетского технологического института