تكنولوجيا

تولد خلية الوقود الرفيعة للغاية الكهرباء من سكر الجسم

شريحة سيليكون مع 30 خلية وقود فردية من الجلوكوز الصغير

شريحة سيليكون تحتوي على 30 خلية وقود جلوكوز صغيرة فردية ، يُنظر إليها على أنها مربعات فضية صغيرة داخل كل مستطيل رمادي. الائتمان: كينت دايتون

ابتكر المهندسون مصدر طاقة للجلوكوز يمكنه تشغيل الغرسات المصغرة وأجهزة الاستشعار الإلكترونية.

الجلوكوز هو سكر نمتصه من الأطعمة التي نتناولها. إنه الوقود الذي يمد كل خلية في أجسامنا بالطاقة. هل يمكن للجلوكوز أيضًا أن يدعم الغرسات الطبية في المستقبل؟

المهندسين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا و ال جامعة ميونخ التقنية اعتقد. لقد صمموا نوعًا جديدًا من خلايا وقود الجلوكوز التي تحول الجلوكوز مباشرة إلى كهرباء. الجهاز أصغر من خلايا وقود الجلوكوز الأخرى المعروضة ، حيث يبلغ سمكها 400 نانومتر فقط ، أو حوالي 1/100 من عرض شعرة الإنسان. يولد مصدر الطاقة السكرية حوالي 43 ميكرو واط لكل سنتيمتر مربع من الكهرباء ، مما يحقق أعلى كثافة طاقة لأي خلية وقود للجلوكوز في الظروف المحيطة حتى الآن.

الجهاز الجديد قوي أيضًا وقادر على تحمل درجات حرارة تصل إلى 600 درجة. درجة مئوية (1،112 فهرنهايت). إذا تم دمجها في غرسة طبية ، فإن هذا التحمل العالي للحرارة سيسمح لخلية الوقود بالبقاء مستقرة خلال عملية التعقيم ذات درجة الحرارة العالية المطلوبة لجميع الأجهزة القابلة للزرع.

قلب الجهاز الجديد هو السيراميك ، وهو مادة تحتفظ بخصائصها الكهروكيميائية حتى في درجات الحرارة العالية وفي المقاييس المصغرة. يتصور الباحثون أن التصميم الجديد يمكن تحويله إلى أغشية أو طلاءات رقيقة للغاية ويتم لفه حول الغرسات لتشغيل الإلكترونيات بشكل سلبي ، وذلك باستخدام إمدادات الجسم الوفيرة من الجلوكوز.

تجربة خلايا وقود الجلوكوز الدقيقة رقاقة السيليكون

تم استخدام إعداد تجريبي مخصص لتوصيف 30 خلية وقود جلوكوز سريعة التسلسل. الائتمان: كينت دايتون

يقول فيليب سيمونز ، الذي طور التصميم كجزء من أطروحة الدكتوراه الخاصة به في قسم علوم وهندسة المواد في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT): “يوجد الجلوكوز في كل مكان في الجسم ، والفكرة هي جمع هذه الطاقة المتاحة بسهولة واستخدامها في تشغيل الأجهزة القابلة للزرع” ( DMSE). “في عملنا ، نعرض كيمياء كهربائية جديدة لخلايا وقود الجلوكوز.”

تقول Jennifer LM Rupp من أطروحة Simons: “بدلاً من استخدام بطارية ، والتي يمكن أن تشغل 90 بالمائة من حجم الغرسة ، يمكنك إنشاء جهاز بغشاء رقيق ، وسيكون لديك مصدر طاقة بدون بصمة حجمية”. مشرف DMSE وأستاذ زائر ، وهو أيضًا أستاذ مشارك في كيمياء إلكتروليت الحالة الصلبة في الجامعة التقنية في ميونيخ في ألمانيا.

قدم سيمونز وزملاؤه تفاصيل تصميمهم مؤخرًا في الصحيفة مواد متطورة. المؤلفون المشاركون في الدراسة هم روب وستيفن شينك وماركو جيسيل ولورينز أولبريتش.

انفصال “صعب”

جاء الإلهام لخلية الوقود الجديدة في عام 2016 ، عندما ذهبت روب ، المتخصصة في السيراميك والأجهزة الكهروكيميائية ، لإجراء اختبار روتيني لسكر الدم في نهاية فترة حملها.

يتذكر روب قائلاً: “في عيادة الطبيب ، كنت أشعر بالملل الشديد في الكيمياء الكهربية ، أفكر فيما يمكنك فعله بالسكر والكيمياء الكهربية”. “ثم أدركت أنه سيكون من الجيد أن يكون لديك جهاز الحالة الصلبة الذي يعمل بالجلوكوز. والتقيت أنا و فيليب على القهوة وكتبنا الرسومات الأولى على منديل.

لم يكن الفريق أول من صمم خلية وقود الجلوكوز ، والتي تم تقديمها في الأصل في الستينيات وأظهرت إمكانية تحويل الطاقة الكيميائية من الجلوكوز إلى طاقة كهربائية. لكن خلايا وقود الجلوكوز في ذلك الوقت كانت تعتمد على البوليمرات اللينة وسرعان ما طغى عليها بطاريات الليثيوم يوديد ، والتي ستصبح مصدر الطاقة القياسي للزرع الطبي ، بما في ذلك أجهزة تنظيم ضربات القلب.

ومع ذلك ، فإن البطاريات لها حدود لحجمها ، حيث يتطلب تصميمها القدرة المادية لتخزين الطاقة.

يقول روب: “تقوم خلايا الوقود بتحويل الطاقة بشكل مباشر بدلاً من تخزينها في جهاز ، لذلك لا تحتاج إلى كل هذه الكمية الكبيرة لتخزين الطاقة في البطارية”.

في السنوات الأخيرة ، أعاد العلماء فحص خلايا وقود الجلوكوز كمصادر طاقة أصغر محتملة ، مدعومة مباشرة من الجلوكوز بكميات كبيرة في الجسم.

يتكون التصميم الأساسي لخلية وقود الجلوكوز من ثلاث طبقات: أنود علوي ، وإلكتروليت مركزي ، وكاثود سفلي. يتفاعل الأنود مع الجلوكوز في سوائل الجسم ، ويحول السكر إلى جلوكونيك حامض. يطلق هذا التحويل الكهروكيميائي زوجًا من البروتونات وزوج من الإلكترونات. يعمل الإلكتروليت الوسيط على فصل البروتونات عن الإلكترونات ، ودفع البروتونات عبر خلية الوقود ، حيث تتحد مع الهواء لتكوين جزيئات الماء – وهو منتج ثانوي غير ضار يتدفق مع السوائل جسديًا. وفي الوقت نفسه ، تتدفق الإلكترونات المعزولة إلى دائرة خارجية ، حيث يمكن استخدامها لتشغيل جهاز إلكتروني.

سعى الفريق إلى تحسين المواد والتصاميم الحالية من خلال تعديل طبقة المنحل بالكهرباء ، والتي غالبًا ما تكون مصنوعة من البوليمرات. لكن خصائص البوليمرات ، بالإضافة إلى قدرتها على توصيل البروتونات ، تتحلل بسهولة في درجات الحرارة العالية ، ويصعب الحفاظ عليها عند تقليل حجمها إلى نانومتر ، ويصعب تعقيمها. تساءل الباحثون عما إذا كان السيراميك – مادة مقاومة للحرارة يمكنها توصيل البروتونات بشكل طبيعي – يمكن تحويلها إلى إلكتروليت لخلايا وقود الجلوكوز.

“عندما تفكر في السيراميك لخلية وقود الجلوكوز ، فإنها تتمتع بميزة الاستقرار على المدى الطويل ، وقابلية التوسع الصغيرة ، وتكامل رقائق السيليكون ،” يلاحظ روب. “إنها صلبة وقوية.”

الطاقة القصوى

صمم الباحثون خلية وقود الجلوكوز مع إلكتروليت يعتمد على أكسيد السيريوم ، وهي مادة خزفية ذات موصلية أيونية عالية ، وهي قوية ميكانيكيًا ، وبالتالي فهي تستخدم على نطاق واسع كإلكتروليت في خلايا الوقود للهيدروجين. كما ثبت أنه متوافق حيويًا.

يلاحظ سيمونز: “تتم دراسة السيريان بنشاط في مجتمع أبحاث السرطان”. “إنه مشابه أيضًا للزركونيا ، الذي يستخدم في زراعة الأسنان ، وهو متوافق حيويًا وآمن.”

حشر الفريق المنحل بالكهرباء بقطب موجب وكاثود مصنوع من البلاتين ، وهو مادة مستقرة تتفاعل بسهولة مع الجلوكوز. قاموا بتصنيع 150 خلية وقود جلوكوز فردية على رقاقة ، يبلغ سمك كل منها حوالي 400 نانومتر وعرضها حوالي 300 ميكرومتر (حوالي عرض 30 شعرة بشرية). قاموا بتصميم الخلايا على رقاقات السيليكون ، مما يدل على أنه يمكن إقران الأجهزة بمادة أشباه الموصلات الشائعة. ثم قاموا بقياس التيار الناتج عن كل خلية أثناء قيامهم بتشغيل محلول الجلوكوز فوق كل رقاقة في محطة اختبار مخصصة.

ووجدوا أن العديد من الخلايا أنتجت ذروة جهد تبلغ حوالي 80 ملي فولت. نظرًا لصغر حجم كل خلية ، فإن هذا الناتج هو أعلى كثافة طاقة لأي تصميم موجود لخلية وقود الجلوكوز.

يقول سيمونز: “من المثير أننا قادرون على استخلاص طاقة كافية وتيار لتشغيل الأجهزة القابلة للزرع”.

يقول روب: “هذه هي المرة الأولى التي يمكن فيها استخدام توصيل البروتون في المواد الكهروكيميائية لتحويل الجلوكوز إلى طاقة ، وتحديد نوع جديد من الكيمياء الكهربائية”. “إنه يوسع حالات استخدام المواد ، من خلايا وقود الهيدروجين إلى أنماط جديدة مثيرة لتحويل الجلوكوز.”

يقول ترولس نوربي ، أستاذ الكيمياء في جامعة أوسلو في النرويج ، والتي لم تساهم في العمل. “السيراميك المستخدم غير سام وغير مكلف وقبل كل شيء خامل لظروف الجسم وظروف التعقيم قبل الزرع. المفهوم والتظاهر حتى الآن واعدان بالفعل.

المرجع: “خلية وقود جلوكوز سيراميك-إلكتروليت للإلكترونيات القابلة للزرع” بقلم فيليب سيمونز وستيفن إيه شينك وماركو إيه جيسل ولورينز ف.أولبريتش وجنيفر إل إم روب ، 5 أبريل 2022 ، مواد متطورة.
DOI: 10.1002 / adma.202109075


Source link

مقالات ذات صلة

أضف تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

Back to top button