خلية وقود فائقة النحافة تستخدم سكر الجسم لتوليد الكهرباء
(أخبار نانويرك): الجلوكوز هو السكر الذي نمتصه من الأطعمة التي نتناولها. إنه الوقود الذي يمد كل خلية في أجسامنا بالطاقة. هل يمكن للغلوكوز أيضًا أن يدعم الغرسات الطبية في المستقبل؟
يعتقد المهندسون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والجامعة التقنية في ميونيخ بإمكانية ذلك. لقد صمموا نوعًا جديدًا من خلايا وقود الغلوكوز التي تحول الجلوكوز مباشرة إلى الكهرباء. الجهاز أصغر من خلايا وقود الجلوكوز الأخرى المقترحة، حيث يبلغ سمكها 400 نانومتر فقط. يولد مصدر الطاقة السكرية حوالي 43 مكرو واط لكل سنتيمتر مربع من الكهرباء، مما يحقق أعلى كثافة طاقة لأي خلية وقود للغلوكوز حتى الآن في ظل الظروف المحيطة.
الجهاز الجديد مرن أيضًا، وقادر على تحمل درجات حرارة تصل إلى 600 درجة مئوية. إذا تم دمجها في غرسة طبية، يمكن أن تظل خلية الوقود مستقرة خلال عملية التعقيم ذات درجة الحرارة العالية المطلوبة لجميع الأجهزة القابلة للزرع. قلب الجهاز الجديد مصنوع من السيراميك، وهي مادة تحتفظ بخصائصها الكهروكيميائية حتى في درجات الحرارة العالية والمقاييس المصغرة. يتصور الباحثون أن التصميم الجديد يمكن تحويله إلى أغشية أو طبقات رقيقة للغاية ويتم لفها حول الغرسات لتشغيل الإلكترونيات بشكل سلبي، وذلك باستخدام إمدادات الجلوكوز الوفيرة في الجسم.
يقول فيليب سيمونز، الذي طور التصميم كجزء من أطروحة الدكتوراه الخاصة به في قسم علوم وهندسة المواد (DMSE) بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “الجلوكوز موجود في كل مكان في الجسم ، والفكرة هي الحصول على هذه الطاقة المتاحة بسهولة واستخدامها لتشغيل الأجهزة القابلة للزرع، نعرض في عملنا كيمياء كهربائية جديدة لخلية وقود الجلوكوز “.
تقول جينيفر إل إم روب، مشرفة أطروحة سيمونز وأستاذة زائرة في DMSE ، وهي أيضًا أستاذة مشاركة في كيمياء إلكتروليت الحالة الصلبة في الجامعة التقنية بميونخ في ألمانيا:”بدلاً من استخدام بطارية، التي يمكن أن تشغل 90 في المائة من حجم الغرسة، يمكنك صنع جهاز بغشاء رقيق، وسيكون لديك مصدر طاقة بدون بصمة حجمية،
“قام سيمونز وزملاؤه بتفصيل تصميمهم في الدورية “Advanced Materials” بعنوان (“خلية وقود الغلوكوز السيراميك-إلكتروليت للإلكترونيات المزروعة”)*. المؤلفون المشاركون في الدراسة هم روب وستيفن شينك وماركو جيسيل ولورينز أولبريتش.
الفصل “الصعب”
جاء الإلهام لخلية الوقود الجديدة في عام 2016، عندما ذهبت روب، المتخصصة في السيراميك والأجهزة الكهروكيميائية، لإجراء اختبار روتيني للغلوكوز في نهاية فترة حملها. تتذكر روب:”في مكتب الطبيب، كنت متخصصًة في الكيمياء الكهربية أعاني الملل، وأفكر فيما يمكنني فعله بالسكر والكيمياء الكهربية، ثم أدركت أنه سيكون من الجيد أن يكون لديك جهاز الحالة الصلبة الذي يعمل بالغلوكوز. والتقيت أنا وفيليب في أثناء تناول القهوة وكتبنا الرسومات الأولى على منديل “.
الفريق ليس أول من تصور خلية وقود الجلوكوز، التي تم تقديمها في البداية في الستينيات وأظهرت إمكانية تحويل الطاقة الكيميائية للغلوكوز إلى طاقة كهربائية. لكن خلايا وقود الغلوكوز في ذلك الوقت كانت تعتمد على البوليمرات اللينة وسرعان ما طغت عليها بطاريات أيونات الليثيوم، التي ستصبح مصدر الطاقة القياسي للزرع الطبي، وعلى الأخص جهاز تنظيم ضربات القلب. ومع ذلك، فإن البطاريات لها حدود لصغر حجمها، حيث يتطلب تصميمها القدرة المادية لتخزين الطاقة.
تقول روب: “تقوم خلايا الوقود بتحويل الطاقة مباشرة بدلاً من تخزينها في الجهاز، لذلك لا تحتاج إلى كل هذا الحجم لتخزين الطاقة في البطارية،”
في السنوات الأخيرة، ألقى العلماء نظرة أخرى على خلايا وقود الغلوكوز باعتبارها مصادر طاقة أقل احتمالًا، تغذيها مباشرة الغلوكوز المتواجدة بكميات كبيرة في الجسم.
يتكون التصميم الأساسي لخلية وقود الغلوكوز من ثلاث طبقات: القطب الموجب العلوي، والإلكتروليت في الوسط، والكاثود السفلي. يتفاعل الأنود مع الغلوكوز في سوائل الجسم، ويحول السكر إلى حمض الغلوكونيك. يطلق هذا التحويل الكهروكيميائي زوجًا من البروتونات وزوجا من الإلكترونات. يعمل الإلكتروليت في الوسط على فصل البروتونات عن الإلكترونات، موصلاً البروتونات عبر خلية الوقود، حيث تتحد مع الهواء لتكوين جزيئات من الماء – وهو منتج ثانوي غير ضار يتدفق بعيدًا مع سائل الجسم. وفي الوقت نفسه، تتدفق الإلكترونات المعزولة إلى دائرة خارجية، حيث يمكن استخدامها لتشغيل الجهاز الإلكتروني.
سعى الفريق إلى تحسين المواد والتصاميم الحالية بواسطة تعديل طبقة الإلكتروليت بالكهرباء، التي غالبًا ما تكون مصنوعة من البوليمرات. لكن خصائص البوليمر، إلى جانب قدرتها على توصيل البروتونات، تتحلل بسهولة في درجات الحرارة المرتفعة، ومن الصعب الاحتفاظ بها عند تقليصها إلى أبعاد النانومتر، كما يصعب تعقيمها. وقد تساءل الباحثون عما إذا كان السيراميك وهي مادة مقاومة للحرارة يمكنها توصيل البروتونات بشكل طبيعي وهل يمكن تحويلها إلى إلكتروليت لخلايا وقود الغلوكوز.
أشارت روب:”عندما تفكر في السيراميك لخلية وقود الغلوكوز هذه، فإنها تتمتع بميزة الاستقرار على المدى الطويل، ولها قابلية التوسع نسبيا، وتتكامل مع رقائق السيليكون، وإنها صلبة وقوية “.
الطاقة القصوى
صمم الباحثون خلية وقود الغلوكوز مع إلكتروليت مصنوع من مادة سيريا، وهي مادة خزفية تمتلك قدرة عالية على التوصيل الأيوني، وهي قوية ميكانيكيًا، وعلى هذا النحو، تُستخدم على نطاق واسع كإلكتروليت في خلايا وقود الهيدروجين. كما ثبت أنها متوافقة حيويًا.
يشير سيمونز: “تتم دراسة مادة سيريا بنشاط في مجتمع أبحاث السرطان، كما أنها مشابهة لمادة الزركونيا، الذي يستخدم في زراعة الأسنان، وهي متوافقة حيوياً وآمنة “.
حشر الفريق الإلكتروليت بقطب موجب وكاثود مصنوع من البلاتين، وهي مادة مستقرة تتفاعل بسهولة مع الغلوكوز. قاموا بتصنيع 150 خلية وقود غلوكوز فردية على شريحة، يبلغ سمك كل منها حوالي 400 نانومتر، وعرضها حوالي 300 مكرومتر (حوالي عرض 30 شعرة بشرية). قاموا بنقش الخلايا على رقاقات السيليكون، مما يدل على أنه يمكن إقران الأجهزة بمادة الأشباه الموصلات الشائعة. ثم قاموا بعد ذلك بقياس التيار الناتج عن كل خلية أثناء قيامهم بتدفق محلول الغلوكوز فوق كل رقاقة في محطة اختبار مُصنَّعة حسب الطلب.
ووجدوا أن العديد من الخلايا تنتج أقصى جهد يبلغ حوالي 80 ملي فولت. بالنظر إلى الحجم الصغير لكل خلية، فإن هذا الناتج هو أعلى كثافة للطاقة لأي تصميم موجود لخلية وقود الغلوكوز.
يقول سيمونز: بشكل مثير، نحن قادرون على استخلاص الطاقة والتيار الكافيين لتشغيل الأجهزة القابلة للزرع، وتقول روب: “إنها المرة الأولى التي يمكن فيها استخدام التوصيل البروتوني في المواد الكهروكيميائية لتحويل الغلوكوز إلى طاقة، وتحديد نوع جديد من الكيمياء الكهربية، إنه يوسع حالات استخدام المواد من خلايا وقود الهيدروجين إلى أوضاع تحويل الغلوكوز الجديدة والمثيرة “.
يقول ترولس نوربي، أستاذ الكيمياء في جامعة أوسلو في النرويج، الذي لم يساهم في العمل، إن الباحثين “فتحوا طريقًا جديدًا لتصغير مصادر الطاقة لأجهزة الاستشعار المزروعة وربما لوظائف أخرى، السيراميك المستخدم غير سام، ورخيص الثمن، وليس أقله خامل لظروف الجسم وظروف التعقيم قبل الزرع. المفهوم والبرهنة حتى الآن واعدان حقًا “.
المصدر: بقلم جينيفر تشو ، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا – الترجمة: موقع نادي نانو
رابط المقال اﻷصلي: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=60624.php
الهوامش:
*A Ceramic-Electrolyte Glucose Fuel Cell for Implantable Electronics
