Celda de combustible ultrafina utiliza azúcar endógena para generar electricidad

Celda de combustible ultrafina utiliza azúcar endógena para generar electricidad


12 de mayo de 2022

(Noticias de Nanowerk) La glucosa es el azúcar que absorbemos de los alimentos que comemos. Es el combustible que alimenta cada célula de nuestro cuerpo. ¿Podría la glucosa también impulsar los implantes médicos del mañana?

Eso es lo que suponen los ingenieros del MIT y la Universidad Técnica de Munich. Han desarrollado una nueva celda de combustible de glucosa que convierte la glucosa directamente en electricidad. El dispositivo es más pequeño que otras celdas de combustible de glucosa propuestas y mide solo 400 nanómetros de espesor. La fuente de energía que contiene azúcar genera alrededor de 43 microvatios por centímetro cuadrado de electricidad, logrando la mayor densidad de energía de cualquier celda de combustible de glucosa hasta la fecha en condiciones ambientales. Chip de silicio que contiene 30 celdas de microcombustible de glucosa individuales, vistas como pequeños cuadrados plateados dentro de cada rectángulo gris Chip de silicio que contiene 30 celdas de microcombustible de glucosa individuales, vistas como pequeños cuadrados plateados dentro de cada rectángulo gris. (Imagen: Kent Dayton)

El nuevo dispositivo también es duradero y puede soportar temperaturas de hasta 600 grados centígrados. Cuando se incorpora a un implante médico, la celda de combustible podría permanecer estable a través del proceso de esterilización a alta temperatura requerido para todos los dispositivos implantables.

El corazón del nuevo dispositivo es la cerámica, un material que conserva sus propiedades electroquímicas incluso a altas temperaturas y en una escala en miniatura. Los investigadores prevén que el nuevo diseño podría fabricarse en películas o recubrimientos ultrafinos y envolverse alrededor de implantes para alimentar electrónicamente de forma pasiva, utilizando el abundante suministro de glucosa del cuerpo.

«La glucosa está en todas partes del cuerpo, y la idea es recolectar esta energía fácilmente disponible y usarla para alimentar dispositivos implantables», dice Philipp Simons, quien desarrolló el diseño como parte de su doctorado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT (DMSE). ). «En nuestro trabajo, demostramos una nueva electroquímica de celda de combustible de glucosa».

«En lugar de usar una batería, que puede ocupar el 90 por ciento del volumen de un implante, podría hacer un dispositivo con una película delgada y tendría una fuente de energía sin huella volumétrica», dice Jennifer LM Rupp, Simons supervisor de tesis del supervisor y profesor invitado de DMSE, quien también es profesor asociado de química de electrolitos sólidos en la Universidad Técnica de Munich en Alemania.

Simons y sus colegas describen su diseño en la revista. Materiales avanzados («Una celda de combustible de cerámica-electrolito-glucosa para electrónica implantable»). Los coautores del estudio son Rupp, Steven Schenk, Marco Gysel y Lorenz Olbrich.

Una ruptura «dura»

La inspiración para la nueva celda de combustible surgió en 2016 cuando Rupp, que se especializa en cerámica y dispositivos electroquímicos, se sometió a una prueba de glucosa de rutina hacia el final de su embarazo.

«En el consultorio del médico, era un electroquímico muy aburrido y estaba pensando en qué se podía hacer con el azúcar y la electroquímica», recuerda Rupp. «Entonces me di cuenta de que sería bueno tener un dispositivo de estado sólido alimentado por glucosa. Y Philipp y yo nos reunimos tomando un café y escribimos los primeros dibujos en una servilleta”.

El equipo no es el primero en concebir una celda de combustible de glucosa, que se introdujo originalmente en la década de 1960 y mostró el potencial de convertir la energía química de la glucosa en energía eléctrica. Pero las pilas de combustible de glucosa en aquel entonces se basaban en polímeros blandos y fueron eclipsadas rápidamente por las baterías de yoduro de litio, que se convirtieron en la fuente de energía estándar para los implantes médicos, en particular los marcapasos cardíacos.

Sin embargo, las baterías tienen un límite en cuanto a su tamaño, ya que su diseño requiere la capacidad física para almacenar energía.

«Las celdas de combustible convierten la energía directamente en lugar de almacenarla en un dispositivo, por lo que no necesita todo el volumen necesario para almacenar energía en una batería», dice Rupp.

En los últimos años, los científicos han vuelto a examinar las celdas de combustible de glucosa como fuentes de energía potencialmente más pequeñas alimentadas directamente por la abundante glucosa que se encuentra en el cuerpo.

El diseño básico de una celda de combustible de glucosa consta de tres capas: un ánodo superior, un electrolito intermedio y un cátodo inferior. El ánodo reacciona con la glucosa en los fluidos corporales y convierte el azúcar en ácido glucónico. Esta conversión electroquímica libera un par de protones y un par de electrones. El electrolito intermedio separa los protones de los electrones y dirige los protones a través de la celda de combustible, donde se combinan con el aire para formar moléculas de agua, un subproducto inofensivo que se elimina con los fluidos corporales. Mientras tanto, los electrones aislados fluyen hacia un circuito externo donde pueden usarse para alimentar un dispositivo electrónico.

El equipo intentó mejorar los materiales y diseños existentes modificando la capa de electrolito, que a menudo está hecha de polímeros. Pero las propiedades de los polímeros, junto con su capacidad para conducir protones, se degradan fácilmente a altas temperaturas, son difíciles de mantener cuando se reducen a dimensiones nanométricas y son difíciles de esterilizar. Los investigadores se preguntaron si una cerámica, un material resistente al calor que puede conducir protones de manera inherente, podría fabricarse en un electrolito para las celdas de combustible de glucosa.

«Si piensa en cerámica para una celda de combustible de glucosa de este tipo, tiene la ventaja de la estabilidad a largo plazo, la baja escalabilidad y la integración de chips de silicio», dice Rupp. «Son duros y resistentes».

Alto rendimiento

Los investigadores diseñaron una celda de combustible de glucosa con un electrolito hecho de óxido de cerio, un material cerámico que tiene una alta conductividad iónica, es mecánicamente robusto y, como tal, se usa ampliamente como electrolito en celdas de combustible de hidrógeno. También se ha demostrado que es biocompatible.

«Ceria se estudia activamente en la investigación del cáncer», señala Simons. «También se asemeja a la zirconia, que se usa en implantes dentales, y es biocompatible y segura».

El equipo encerró el electrolito con un ánodo y un cátodo hechos de platino, un material estable que reacciona fácilmente con la glucosa. Hicieron 150 celdas de combustible de glucosa individuales en un chip, cada una de unos 400 nanómetros de grosor y unos 300 micrómetros de ancho (aproximadamente el ancho de 30 cabellos humanos). Modelaron las células en obleas de silicio y demostraron que los dispositivos se pueden emparejar utilizando un material semiconductor común. Luego midieron la corriente producida por cada celda mientras fluía una solución de glucosa sobre cada oblea en una estación de prueba hecha a la medida.

Descubrieron que muchas celdas producían un voltaje máximo de alrededor de 80 milivoltios. Dado el diminuto tamaño de cada celda, esta salida es la densidad de potencia más alta de cualquier diseño de celda de combustible de glucosa existente.

«De manera emocionante, podemos extraer suficiente energía y corriente para alimentar dispositivos implantables», dice Simons.

«Es la primera vez que se puede utilizar la conducción de protones en materiales electrocerámicos para convertir la glucosa en electricidad, lo que define un nuevo tipo de electroquímica», dice Rupp. «Expande los casos de uso de materiales de las celdas de combustible de hidrógeno a nuevos y emocionantes modos de conversión de glucosa».

Los investigadores «abrieron una nueva ruta hacia fuentes de corriente en miniatura para sensores implantados y potencialmente otras funciones», dice Truls Norby, profesor de química en la Universidad de Oslo en Noruega, quien no contribuyó al trabajo. “Las cerámicas utilizadas son atóxicas, baratas y, por último, pero no menos importantes, inertes tanto a las condiciones del cuerpo como a las condiciones de esterilización antes de la implantación. El concepto y la demostración hasta ahora son realmente prometedores”.



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