O echipă de ingineri de la MIT și de la Universitatea Tehnică din München au reușit să creeze o celulă de combustibil extrem de subțire care ar putea genera electricitate folosindu-se de glucoza din organism. Microcipul din siliciu care poate genera electricitate are 30 de microcelule individuale în care glucoza este transformată în energie, susținând faptul că invenția lor ar putea alimenta cu energie implanturi miniaturale și senzori electronici de mici dimensiuni. Ei au reușit să proiecteze un nou tip de celulă de combustibil care poate transforma, în mod direct, glucoza în electricitate. Dispozitivul este mult mai mic (400 de nanometri) decât alte celule de combustibil pe bază de glucoză propuse în trecut. Sursa de energie, adică glucoza, poate generala aproximativ 43 de microwați/cm2, atingând cea mai mare densitate energetică, în condiții ambientale, decât orice altă celulă de combustibil pe bază de glucoză proiectată până în momentul de față. Pe lângă asta, celula proiectată de ingineri are și alte caracteristici cheie.
Spre exemplu, poate rezista la temperaturi deosebit de mari (până la 600 °C), ceea ce asigură faptul că dacă ar fi încorporată într-un implant medical, rezistența ridicată la căldură ar permite celulei de combustie să rămână stabilă, funcțională, în timpul procesului de sterilizare ce poate avea loc la temperaturi extrem de mari. Nucleul acestui dispozitiv este realizat din ceramică și își poate păstra proprietățile electrochimice la temperaturi ridicate, cercetătorii preconizând că noul design propus ar putea fi transformat în biofilm sau înveliș ultrasubțire, apoi înfășurat în jurul implanturilor pentru a asigura o alimentare pasivă a aparaturii electronice, prin folosirea permanentă a rezervelor (și surplusului) de glucoză din organism. „Glucoza este distribuită în tot organismul, iar ideea proiectului nostru a fost de a reuși să utilizăm această energie – ușor disponibilă – pentru a alimenta energetic dispozitive implantabile”, spune Philipp Simons, care a dezvoltat proiectul ca parte a tezei sale de doctorat. „În lucrarea noastră, propunem o abordare complet nouă, din perspectivă electrochimică, a celulelor de combustibil pe bază de glucoză”.
„În loc să folosim o baterie, care ar putea ocupa chiar și până la 90% din volumul unui implant, am putea face un dispozitiv cu un film subțire și, astfel, am avea o sursă de energie fără a face compromisuri în ceea ce privește volumul [ocupat de către baterie]”, spune Jennifer L.M. Rupp, conducătoare a tezei lui Simons și profesor universitar la DMSE. Recent, Simons și colegii săi și-au publicat proiectul în revista Advanced Materials. Sursa de inspirație pentru celula aceasta nouă de combustie i-a venit lui Rupp în anul 2016 – specializată știința materialelor, în special ceramică și dispozitive electrochimice, ea a mers să facă un test de rutină spre sfârșitul ultimului trimestru de sarcină. „Cât așteptam, mă gândeam cum aș putea combina glucoza cu domeniul meu de activitate, electrochimia (…), iar apoi mi-am dat seama că ar fi ideal dacă ar exista, de ce nu, un dispozitiv solid care să fie alimentat cu glucoză. Apoi, am ieșit cu Philipp la o cafea și, pe un șervețel, am făcut primele schițe”, își amintește ea.
Echipa de ingineri de la MIT nu este prima care a conceput o celulă de combustibil pe bază de glucoză, conceptul fiind introdus, inițial, în anii 1960, iar apoi demonstrat practic ca având un potențial semnificativ de a converti energia chimică a glucozei în energie electrică. Pe vremea respectivă, celulele de combustibil pe bază de glucoză se bazau pe polimeri moi și au fost rapid eclipsate de bateriile Li-Ion, care aveau să devină sursa standard de energie pentru implanturile medicale, mai ales pentru stimulatoarele cardiace. Totuși, bateriile au o limită evidentă în ceea ce privește dimensiunile (mici) pe care le pot avea, deoarece designul lor este în strâns raport cu capacitatea fizică de a stoca energie. „Pilele de combustie convertesc direct energia, în loc să o stocheze într-un dispozitiv; deci nu mai trebuie stocată într-o baterie”, afirmă Rupp.
Arhitectura celulei de combustibil pe bază de glucoză
Designul de bază al unei celule de combustibil pe bază de glucoză constă în trei straturi: anod în partea superioară, un electrolit central și un catod în partea inferioară. Anodul reacționează cu glucoza din fluidele corpului, transformând zahărul în acid gluconic. Această conversie, în esență electrochimică, are loc cu eliberarea unei perechi de protoni și a uneia de electroni. După cum am spus, în mijloc se află electrolitul, care acționează pentru a separa protonii de electroni, conducând protonii prin celula de combustibil, unde se combină cu aerul și formează molecule de apă (un produs secundar inofensiv care se scurge odată cu fluidele corporale). Electronii ce au fost izolați vor curge către un circuit extern, unde pot fi utilizați pentru a alimenta energetic un dispozitiv specific (în mod ideal, de mici dimensiuni și cu consum subliminal).
Echipa a încercat să îmbunătățească materialele și modelele existente prin modificarea stratului de electrolit, care, adesea, este realizat din polimeri: impedimentul este reprezentat de faptul că, din cauza proprietăților polimerilor și a capacității lor de a conduce protoni, se degradează foarte ușor la temperaturi ridicate, sunt dificil de păstrat atunci când sunt reduși la dimensiuni de ordinul nanometrilor și, implicit, sunt greu de sterilizat. Cercetătorii s-au întrebat dacă există posibilitatea ca ceramica – material rezistent la căldură care, în mod natural, poate să conducă protoni – ar putea fi transformată într-un electrolit pentru pilele de combustie ce utilizează drept sursă de energie glucoza. „Dacă este să luăm în considerare ceramica pentru o astfel de celulă de combustibil, există avantajul stabilității pe termen lung, al unei scalabilități mici și, mai ales, al posibilității de integrare a cipurilor de siliciu (…). Sunt tari și robuste”, adaugă Rupp.
Valorile energetice înregistrate prin utilizarea acestor celule
Pentru proiectarea unei celule de combustibil pe bază de glucoză, au folosit un electrolit realizat din oxid de ceriu (oxid ceric, metal din seria lantanidelor), un material cu conductivitate ionică ridicată, robust din punct de vedere mecanic și, drept urmare, utilizat pe scară largă ca electrolit în celulele de combustibil pe bază de hidrogen. De asemenea, s-a demonstrat faptul că este un material biocompatibil, fără a produce toxicitate in vivo. „Oxidul de ceriu este studiat, în mod susținut, în comunitatea celor care cercetează cancerul”, adaugă un alt participant la proiectul de cercetare. „Fiind similar cu zirconiul, este utilizat pentru implanturile dentare, fiind sigur și biocompatibil”. Echipa de cercetători a intercalat electrolitul între un anod și un catod realizați din platină, material stabil ce reacționează ușor cu glucoza. Ei au reușit să fabrice aproximativ 150 de celule individuale de combustibil pe bază de glucoză, plasate pe un cip. Fiecare cip avea grosimea de aproximativ 400 nm și lățimea de aproximativ 300 μm. Celulele au fost modelate pe plachete de siliciu, demonstrând că dispozitivele pot fi cuplate cu un material semiconductor comun. Ulterior, au măsurat curentul produs de fiecare celulă în parte, după ce au făcut să curgă o soluție de glucoză peste fiecare placă, într-o stație de testare fabricată la comandă.
După cuantificare, au descoperit că multe celule au produs o tensiune ce a atins aproximativ 80 de milivolți. Deși ar putea părea mică, având în vedere dimensiunile la fel de mici ale fiecărei celule, rezultatul reprezintă cea mai mare densitate de putere obținută față de orice alt proiect de acest gen demarat de-a lungul timpului, care a implicat celule de combustibil cu glucoză, iar echipa consideră că „în mod incitant, suntem capabili să obținem o putere semnificativă, motiv pentru care suntem de părere că, în viitor, metoda noastră ar putea alimenta, energetic, o gamă variată de dispozitive implantabile”. „Este pentru prima dată când poate fi folosită conducerea protonilor, în materiale electroceramice, pentru conversia glucozei în energie, definind un nou tip de electrochimie. O nouă cale către surse miniaturale de energie folosită în alimentarea senzorilor implantați. Conceptul și rezultatele noastre sunt, într-adevăr, promițătoare”.
