見過嗎？由食物構(gòu)成的可食用超級(jí)電容器

近日，來自美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)(ArizonaStateUniversity)的姜漢卿教授研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種完全由食物構(gòu)成的可食用超級(jí)電容器。該超級(jí)電容器不僅賦予了食品一個(gè)嶄新的定義和用途，還有望應(yīng)用在人體中消滅有害細(xì)菌或?yàn)轶w內(nèi)電子設(shè)備供電。該成果已于5月17日發(fā)表在《AdvancedMaterialsTechnologies》。

當(dāng)下，新型醫(yī)療科技廣泛應(yīng)用于治療各種疾病。植入人體的電子設(shè)備也應(yīng)運(yùn)而生。但是接受移植的患者需要經(jīng)歷手術(shù)和術(shù)后并發(fā)癥的痛苦。盡管生物可降解的設(shè)備例如傳感器和有機(jī)晶體管等不需要手術(shù)取出，但依舊無法解決需要手術(shù)植入的問題。因此該團(tuán)隊(duì)將目光著眼于人體的消化系統(tǒng)，開發(fā)了一款電子產(chǎn)品通過消化系統(tǒng)進(jìn)入人體進(jìn)行工作。

該團(tuán)隊(duì)選取醫(yī)用活性炭作為電極的活性材料，該活性炭表面積高達(dá)1,400m2/g并且具有高電導(dǎo)率，是超級(jí)電容器非常理想的電極材料。雖然活性炭是一個(gè)已知的超級(jí)電容器的電極材料，但是用可食用的活性炭作為電極材料卻沒有被發(fā)現(xiàn)。蛋清因?yàn)楦缓鞍踪|(zhì)，遇水后蛋白質(zhì)分子間形成大量氫鍵具有很高的粘性，可作為粘結(jié)劑與活性炭制作成電極材料。集流體通常采用導(dǎo)電性高的金屬如鋁、鎳等，但是這些金屬不可食用。

研究人員選用了蛋糕中可食用的裝飾金箔和銀箔作為集流體，在保證高導(dǎo)電率的同時(shí)也能被人體所食用?，F(xiàn)在海苔不再只能做成壽司或者零食，在這個(gè)電容器中它作為隔膜存在。海苔具有多孔結(jié)構(gòu)并且電絕緣，因此它可以在為離子傳導(dǎo)提供通道的同時(shí)阻止兩個(gè)電極相互接觸形成短路。電解液需要提供離子在兩極間傳導(dǎo)，因此該團(tuán)隊(duì)選擇了功能飲料和其他富含鈉、鉀離子的飲料作為電解液，并且成功嘗試了BBQ醬和果凍分別作為半固態(tài)和固態(tài)電解質(zhì)。超級(jí)電容器的封裝材料亦選取了可食用的產(chǎn)品——明膠。明膠可以做成膠囊或者果凍，但利用它可以高溫熔化的特性，可以作為超級(jí)電容器的封裝材料。凝膠糖果(Gummycandy)也用于封裝材料。為了防止封裝材料吸收電解液而溶解，該團(tuán)隊(duì)采用奶酪片作為阻隔層。這里是所有用到的食物。

他們將活性炭(藥物級(jí))、金箔(食品級(jí))、海苔、蛋清、奶酪、食用明膠和功能飲料這幾種常見的食品飲料組合在一起，就得到了一個(gè)暫時(shí)儲(chǔ)存電能的高容量循環(huán)性能好的超級(jí)電容器。在1A/g電流下，首次放電容量可達(dá)78.8F/g，循環(huán)1000次后容量保留率高達(dá)92.3%。

亞利桑那州立大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)教授姜漢卿表示：“我們相信食物可以有更多的用途，比如做成這種超級(jí)電容器。我們已經(jīng)成功用這種超級(jí)電容器殺死培養(yǎng)皿里的細(xì)菌，并且為一個(gè)微型攝像頭供電。它將以此方式為一個(gè)胃腸醫(yī)生提供所需要的幫助。”

這項(xiàng)研究解決了很多人體內(nèi)電子元器件面臨的問題。比如可移植電子產(chǎn)品需要手術(shù)才能將設(shè)備植入人體、體內(nèi)可降解的器件又有能量密度低和電池體積受限的問題，而可食用的合成材料有些會(huì)導(dǎo)致胃部不適。而這種超級(jí)電容器全部由市售食品組成，在發(fā)揮作用的同時(shí)不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生任何不利影響。

在胃酸模擬液中，該超級(jí)電容器可點(diǎn)亮LED燈4分鐘，一小時(shí)后完全被胃酸模擬液分解。

點(diǎn)亮LED

該團(tuán)隊(duì)還應(yīng)用了無線充電磁感應(yīng)線圈為超級(jí)電容器進(jìn)行充電，保證超級(jí)電容器的持續(xù)工作。

具有無線充電功能

此超級(jí)電容器還可以為一個(gè)5V，35mA的針孔攝像頭供電。

該超級(jí)電容器對(duì)磷酸鹽離子緩沖液中的E.coli大腸桿菌持續(xù)0.5-1mA低電流放電60分鐘，99.3%的細(xì)菌被殺死。效率遠(yuǎn)超現(xiàn)在的抗生素。

展示在體外殺細(xì)菌

這項(xiàng)工作開啟了一個(gè)新的在人體內(nèi)應(yīng)用電子設(shè)備的思路。文章發(fā)表在《AdvancedMaterialsTechnology》。主要研究成員包括王旭，許雯雯，和PrithwishChatterjee。