Объединив миниатюрную электронику с принципами искусства оригами, немецкие ученые разработали самый маленький из существующих суперконденсаторов. Устройство меньше пятнышка пыли, но при этом имеет напряжение, аналогичное тому, что выдает минипальчиковая AAA-батарейка. При этом оно не только безопасно для использования в организме человека, но фактически использует ключевые ингредиенты из человеческой крови для повышения собственной производительности.
Изначально ученые работали в области нано-суперконденсаторов (nBSC). Это электронные компоненты, которые работают аналогично обычным конденсаторам, но уменьшены до субмиллиметрового размера. Разработка таких устройств очень сложна, но исследователи стремились сделать конденсатор, который смог бы безопасно работать в организме человека, питая крошечные датчики и имплантаты. А значит, в нем нельзя использовать электролиты или материалы, подверженные коррозии. Все материалы должны быть биосовместимыми.
Биосовместимые суперконденасторы уже существали на сегодняшний день, но самые маленькие из них имели объем около 3 кубических миллиметров. Так было до сегодняшнего дня.
Самый маленький суперконденсатор
Новая конструкция состоит из стопки полимерных слоев, среди которых находится светочувствительный фоторезистивный материал. Этот материал действует как токоприемник. Также суперконденастор включает разделительную мембрану и электроды, изготовленные из электропроводящего биосовместимого полимера PEDOT: PSS.
Весь этот набор наносят на тонкую пластину, которая подвергается сильному механическому натяжению. Это заставляет различные слои разделяться и складываться определенным образом в стиле японского оригами.
На выходе получается нанобиосуперконденсатор объемом 0,001 мм3. Он занимает меньше места, чем пылинка. Эти трубчатые биосуперконденсаторы в 3000 раз меньше, чем те, что были разработаны ранее, но они способны выдавать напряжение сопоставимое с напряжением ААА-батарейки. Хотя, конечно же, их ток гораздо ниже.
Крошечные устройства помещали в физиологический раствор, плазму крови и в саму кровь, где они демонстрировали способность успешно накапливать энергию. Особенно эффективным биосуперконденсатор оказался в крови, где он сохранял до 70 процентов своей эффективности после 16 часов работы. Одна из причин, по которой кровь может быть подходящим “домом” для биосуперконденсатора, заключается в том, что устройство взаимодействует с окислительно-восстановительным ферментативными реакциями и живыми клетками для перезарядки, повышая свою производительность на 40%.
Разработчики подвергли устройство физическим воздействиям, которые оно может испытать в кровеносных сосудах. Суперконденсатор отлично выдержал движение и изменения кровяного давления.
Три суперконденсатора, связанные вместе, смогли обеспечить питанием крошечный датчик кислотности (рН). Такие датчики можно имплантировать в кровеносные сосуды для измерения выявления аномалий кислотности, которые могут свидетельствовать о росте опухолей.
«Чрезвычайно отрадно видеть, как новая гибкая и адаптивная микроэлектроника превращается в миниатюризированный мир биологических систем», - говорит руководитель исследовательской группы профессор доктор Оливер Г. Шмидт.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
