Створено мікробний паливний елемент, що працює на слині
Команда инженр-фізиків з Саудівської Аравії і США розробила новий мікробний паливний елемент мікронного розміру. Мініатюрна система складається з декількох шарів графена, харчується рідинами (наприклад, слиною) і здатна видавати до 1 мкВт потужності.
В основі технології лежать мікроорганізми - бактерії, які генерують електрику з різних відходів. Вони розкладають органічні речовини, в ході чого вивільняються електрони, які відправляються на анод. Електрони потім проходять через зовнішній ланцюг до катода, і таким чином генерується електричний струм.
Мініатюрні паливні елементи, як правило, містять дві камери, в яких містяться анод і катод, відокремлені напівпроникною мембраною. Проблема такої конструкції полягає в тому, що катодний камеру необхідно регулярно поповнювати свіжими акцепторами електронів, наприклад, Фероцианід, який дає більшу щільність потужності, ніж більш легкодоступні і менш токсичні акцептори, такі як кисень. Останній, до слова, раніше використовувався тільки при виробництві великомасштабних мікробних паливних елементів.
Тепер команда дослідників на чолі з Мухаммедом Хусейном (Muhammad Hussain) з Науково-технологічного університету імені короля Абдалли спільно з колегами з університету Пенсільванії, створила паливний елемент на основі багатошарового графена і гуми. Пристрій також містить повітряний катод, вперше використаний в настільки мініатюрною системі.
Новий мікробний паливний елемент має просту конструкцію і мініатюрними розмірами (фото Bruce Logan, Penn State).
Що ще цікавіше, Хусейну і його колегам вдалося позбутися від мембрани, тим самим спростивши конструкцію, і позбутися від внутрішнього опору.
Графеновий анод зменшили до розмірів квадрата зі стороною 1 сантиметр (у вигляді фольги). Потім вчені помістили між катодом і анодом гумову прокладку товщиною 1 міліметр при тій же площі. Після вирізали в центрі прокладки квадратний отвір розміром 5 на 5 міліметрів, яке послужило анодної камерою. По обидва боки гумової прокладки вставили голки від шприців для упорскування слини в пристрій.
"Використання гуми дає нам ще одну перевагу: пристрій стає гнучким, і його можна прикріпити практично до будь-якої поверхні. Крім того, повітряний катод виключає необхідність використання лабораторних хімікатів", - Розповідає Хусейн.
Незважаючи на те, що слина переважно складається з води, вона містить неорганічні і органічні сполуки, такі як глюкоза. Бактерії можуть використовувати їх в якості палива. Після випробувань пристрою дослідники виявили, що воно виробляє вищі щільності струму, ніж будь-який інший існуючий аналог - 1190 амперів на метр кубічний.
Один лише анод з графеновой фольги генерує в 40 разів більше енергії, ніж звичайний анод з вуглецевої матерії. Все це стало можливо завдяки винятковим електропровідним характеристикам графена, які дозволяють електронам швидше рухатися по ланцюгу.
Схематичне зображення конструкції паливного елемента (ілюстрація Bruce Logan, Penn State).
"Наше дослідження є першим, наочно демонструє, що слина і, ймовірно, інші висококонцентровані органічні види палива, можна використовувати для харчування біоелектронних пристроїв. Виробляючи майже 1 мікроват енергії, наш паливний елемент вже досить ефективний для харчування малопотужної лабораторії-на-чіпі", - Говорить Хусейн.
Дослідники відзначають, що їхня технологія буде корисна для створення тестів на овуляцію. Відомо, що під час овуляції електропровідність слини різко падає, ймовірно, через збільшення вмісту гормону естрогену. Новий паливний елемент допоможе виміряти зміни цього показника і визначити період максимальної жіночої фертильності.
"Енергії, що генерується пристроєм, може бути досить для передачі даних на смартфон. Виходить зручна і доступна технологія планування сім`ї", - Стверджує Хусейн.
На даний момент фізики шукають способи збільшення потужності пристрою до діапазону мілівата. Найімовірніше, для цього вони будуть модернізувати повітряний катод.
