超薄燃料電池利用人體自身糖分發(fā)電

帶有30個(gè)獨(dú)立葡萄糖微型燃料電池的硅芯片。圖片來(lái)源：《先進(jìn)材料》

葡萄糖是人們從食物中吸收的糖分，它是為人體每個(gè)細(xì)胞提供動(dòng)力的“燃料”。那么葡萄糖是否也能為醫(yī)療植入物提供動(dòng)力?美國(guó)麻省理工學(xué)院和德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)的工程師給出了肯定答案。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型葡萄糖燃料電池，可將葡萄糖直接轉(zhuǎn)化為電能。該裝置厚度僅400納米，約為人類頭發(fā)直徑的1/100。該含糖電源每平方厘米產(chǎn)生約43微瓦的電力，實(shí)現(xiàn)了迄今為止葡萄糖燃料電池的最高功率密度。

近日發(fā)表在《先進(jìn)材料》上的論文指出，新電池能承受高達(dá)600℃的溫度。如果嵌入醫(yī)療植入物中，燃料電池可在植入設(shè)備所需的高溫滅菌過(guò)程中保持穩(wěn)定。該電池的核心由陶瓷制成，這種材料即使在高溫和微型尺度下也能保持其電化學(xué)特性。研究人員設(shè)想，新設(shè)計(jì)可制成超薄膜或涂層，并包裹在植入物周圍，利用人體豐富的葡萄糖被動(dòng)地為電子設(shè)備供電。

在新研究中，研究人員設(shè)計(jì)了一種葡萄糖燃料電池，其電解質(zhì)由二氧化鈰制成，二氧化鈰是一種具有高離子電導(dǎo)率的陶瓷材料，機(jī)械強(qiáng)度高，因此被廣泛用作氫燃料電池的電解質(zhì)，其已被證明是生物相容的。

研究團(tuán)隊(duì)將電解質(zhì)與由鉑制成的陽(yáng)極和陰極夾在中間，鉑是一種容易與葡萄糖反應(yīng)的穩(wěn)定材料。他們?cè)谝粋€(gè)芯片上制造了150個(gè)單獨(dú)的葡萄糖燃料電池，每個(gè)約400納米薄，300微米寬(大約30根人類頭發(fā)的寬度)。團(tuán)隊(duì)將電池圖案摹刻到硅晶片上，實(shí)驗(yàn)表明電池可與常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料配對(duì)。隨后他們測(cè)量了電池在定制測(cè)試站中將葡萄糖溶液流過(guò)每個(gè)晶片時(shí)產(chǎn)生的電流。

團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，許多電池產(chǎn)生的峰值電壓約為80毫伏。鑒于每個(gè)電池的尺寸很小，該輸出已是任何現(xiàn)有葡萄糖燃料電池設(shè)計(jì)中最高的功率密度。

研究人員表示：“這是第一次將電陶瓷材料中的質(zhì)子傳導(dǎo)用于葡萄糖到能量的轉(zhuǎn)換，定義了一種新型的電化學(xué)。它將材料從氫燃料電池?cái)U(kuò)展到新的、令人興奮的葡萄糖轉(zhuǎn)換模式。” 新電池使用的陶瓷無(wú)毒、便宜，而且對(duì)體內(nèi)條件和植入前的滅菌條件都呈惰性，因此為植入傳感器和其他功能的微型電源開(kāi)辟了一條新途徑。