Wytwarzanie mocy z serca

Jak wykazali naukowcy z Georgia Institute of Technology, maleńki, prawie niewidoczny nanodrut może zamienić energię pulsujących, napinających się mięśni w ciele szczura na prąd elektryczny. Ich nanogenerator może kiedyś doprowadzić do powstania implantów medycznych i czujników napędzanych biciem serca lub oddechem.

Przewód pod napięciem: Pojedynczy nanodrut z tlenku cynku można podłączyć do serca szczura, gdzie wytwarza prąd elektryczny, uginając się przy każdym uderzeniu.

Nanodruty z tlenku cynku wykazują efekt piezoelektryczny, wytwarzając energię elektryczną, gdy są poddawane naprężeniom mechanicznym. Georgia Tech profesor inżynierii materiałowej i inżynierii Zhong Lin Wang a jego grupa po raz pierwszy zademonstrowała te generatory nanoprzewodów w 2005 roku. Od tego czasu stworzyli urządzenia, które mogą wykorzystać energię biegnącego chomika i stukających palców, a także połączyli swoje piezoelektryczne nanoprzewody z ogniwami słonecznymi.

W swojej najnowszej pracy, opublikowanej w czasopiśmie Zaawansowane materiały , Zespół Wanga pokazuje, że nanogenerator działa wewnątrz żywego zwierzęcia. Naukowcy umieścili nanodrut z tlenku cynku na elastycznym podłożu polimerowym i zamknęli urządzenie w polimerowej obudowie, aby chronić je przed płynami ustrojowymi. Następnie został przymocowany do przepony szczura. Oddech gryzonia rozciągał nanodrut, a urządzenie generowało cztery pikoampery prądu o napięciu dwóch miliwoltów. Po przymocowaniu do serca szczura urządzenie emitowało 30 pikoamperów przy trzech miliwoltach.

Nanogeneratory tlenku cynku byłyby idealnym źródłem zasilania dla czujników w skali nano, które monitorują ciśnienie krwi lub poziom glukozy i wykrywają biomarkery raka. Mogą one działać na niskim poziomie mocy około jednego mikrowata, ale potrzebują długotrwałego źródła zasilania o rozmiarach nano zamiast baterii, aby były naprawdę w skali nano. Naszym ostatecznym celem jest stworzenie nanourządzeń z własnym zasilaniem do zastosowań medycznych, mówi Wang.

Femtowatowa skala mocy generowanej przez urządzenia jest zbyt niska, aby była w tej chwili praktyczna (moc = prąd x napięcie). Ale to powinno się wkrótce zmienić, mówi Zhang. Chociaż naukowcy przetestowali tylko jedno urządzenie z nanoprzewodami wewnątrz szczura, zbudowali również urządzenie, które integruje setki nanoprzewodów w układ. To urządzenie, o którym badacze niedawno zrelacjonowali w czasopiśmie Nanotechnologia Przyrody, daje prąd wyjściowy około 100 nanoamperów przy napięciu 1,2 V, wytwarzając 0,12 mikrowata mocy. Wang mówi, że następnym krokiem jest podłączenie tego nanogeneratora o większej mocy do nanoczujnika wewnątrz zwierzęcia.

Istnieją lepsze materiały piezoelektryczne niż nanodruty z tlenku cynku i są one również rozważane w zastosowaniach biomedycznych. Najbardziej wydajnym znanym materiałem piezoelektrycznym jest PZT, związek ołowiu, cyrkonu i tytanu. Mówi, że jest 10 razy bardziej wydajny niż tlenek cynku w przekształcaniu naprężeń mechanicznych w prąd elektryczny Michael McAlpine , profesor inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie Princeton. Wkładając PZT między elementy silikonowe, stworzył materiał, który może zebrać 80 procent energii zastosowanej podczas zginania. Podobnie jak Wang koncentruje się na wykorzystaniu materiału do zasilania implantów medycznych.

McAlpine mówi, że materiał daje 10 nanowatów energii z dotykania ludzkim palcem. Większe arkusze mogą generować wystarczającą moc do naładowania rozrusznika, ale materiał nie został jeszcze przetestowany na zwierzętach. Tutaj tlenek cynku może mieć przewagę nad PZT, ponieważ jest biokompatybilny. Ołów w PZT wymagałby, aby urządzenie było solidnie otoczone silikonem lub innym biokompatybilnym polimerem.

Jednak największym wyzwaniem dla obu materiałów będzie uzyskanie wyższej mocy wyjściowej, mówi McAlpine. To zdumiewające, że mogli wszczepić te urządzenia tym zwierzętom i uwolnić się od zasilania, mówi. Ale nadal musimy zajść daleko z naszymi urządzeniami, aby uzyskać sensowną moc wyjściową.

ukryć