В нашем организме текущие ионы (натрий, калий и другие электролиты) представляют собой электрические сигналы, которые приводят в действие мозг и контролируют ритм сердца, движение мышц и многое другое.
В традиционных батареях электрическая энергия или ток течет в форме движущихся электронов. Этот ток электронов из батареи генерируется внутри батареи за счет перемещения положительных ионов от одного конца (электрода) батареи к другому.
Новый аккумулятор UMD работает наоборот. Он перемещает электроны в устройстве, чтобы доставить энергию, которая представляет собой поток ионов.
Это первый случай изобретения батареи, генерирующей ионный ток.
«Мое намерение состоит в том, чтобы ионные системы взаимодействовали с человеческими системами», – сказал Лянбин Ху, глава группы, которая разработала эту батарею. Ху – профессор материаловедения в Мэрилендском университете в Колледж-Парке. Он также является членом Центра энергетических исследований Университета Мэриленда и главным исследователем Исследовательского центра «Наноструктуры для хранения электроэнергии» Energy Frontier, спонсируемого Министерством энергетики, которое финансировало исследование.
«Поэтому я придумал обратный дизайн батареи», – сказал Ху. "В типичной батарее электроны проходят по проводам к электронике интерфейса, а ионы проходят через разделитель батареи. В нашем обратном дизайне традиционная батарея закорочена электронным способом (это означает, что электроны проходят по металлическим проводам). Затем ионы должны проходить через внешние ионные кабели. В этом случае ионы в ионном кабеле – в данном случае волокна травы – могут взаимодействовать с живыми системами."
Работа Ху и его коллег была опубликована в выпуске журнала Nature Communications от 24 июля.
«Потенциальные приложения могут включать разработку следующего поколения устройств для микроманипуляции нейронной активности и взаимодействий, которые могут предотвратить и / или лечить такие медицинские проблемы, как болезнь Альцгеймера и депрессия», – сказал член группы Цзяньхуа Чжан, доктор философии, научный сотрудник в Национальный институт диабета, болезней органов пищеварения и почек (NIDDK), входящий в состав Национальных институтов здравоохранения в Бетесде, штат Мэриленд.
«Батарея может быть использована для разработки медицинских устройств для инвалидов или для более эффективных инструментов доставки лекарств и генов как в исследовательских, так и в клинических условиях, как способ более точного лечения рака и других медицинских заболеваний», – сказал Чжан, проводивший биологические эксперименты. чтобы проверить, что новая батарея успешно передает ток живым клеткам..
«Заглядывая далеко вперед на научный горизонт, можно также надеяться, что это изобретение может помочь установить возможность прямого общения между машиной и человеком», – сказал он.
Биосовместимые батареи из биоматериалов
Поскольку живые клетки работают на ионном токе, а существующие батареи обеспечивают электронный ток, ученые ранее пытались выяснить, как создать биосовместимость между этими двумя, путем подключения электронного тока к ионному. Проблема с этим подходом заключается в том, что электронный ток должен достичь определенного напряжения, чтобы преодолеть разрыв между электронными системами и ионными системами.
Однако в живых системах ионные токи протекают при очень низком напряжении. Таким образом, с электронно-ионным пластырем индуцированный ток был бы слишком большим, чтобы запустить, скажем, мозг или мышцу.
Эту проблему можно решить, используя ионно-токовые батареи, которые могут работать при любом напряжении.
У нового аккумулятора UMD есть еще одна необычная особенность – он использует траву для хранения энергии. Чтобы сделать батарею, команда смочила лезвия мятлика Кентукки в растворе литиевой соли. Каналы, которые когда-то перемещали питательные вещества вверх и вниз по травинке, были идеальными каналами для удержания раствора.
Демонстрационная батарея, созданная исследовательской группой, выглядит как две стеклянные трубки с травинкой внутри, каждая из которых соединена тонкой металлической проволокой наверху. По проводу проходят электроны, перемещаясь от одного конца батареи к другому, когда накопленная энергия медленно разряжается. На другом конце каждой стеклянной трубки находится металлический наконечник, через который протекает ионный ток.
Исследователи доказали, что ионный ток протекает, когда концы батареи касаются любого конца пропитанной литием хлопковой нити с точкой из окрашенных в синий цвет ионов меди посередине.
Захваченная ионным током, медь двигалась вдоль струны к отрицательно заряженному полюсу, как и предсказывали исследователи.
«Микроканалы в траве могут удерживать солевой раствор, делая их стабильным ионным проводником», – сказал Чэнвэй Ван, первый автор статьи и аспирант кафедры материаловедения и инженерии Университета Мэриленда в Колледж-Парке.
Тем не менее, команда планирует диверсифицировать типы ионно-электронных батарей, которые они могут производить. «Мы разрабатываем множественные ионные проводники с целлюлозой, гидрогелями и полимерами», – сказал Ван.
Это не первый раз, когда ученые UMD тестируют натуральные материалы в новых сферах применения. Ху и его команда ранее изучали целлюлозу и растительные материалы для электронных батарей, создавая батарею и суперконденсатор из дерева и батарею из листа.
Они также создали прозрачную древесину как потенциально более энергоэффективную замену стеклянным окнам.
Творчество
Пинг Лю, доцент кафедры наноинжиниринга Калифорнийского университета в Сан-Диего, который не участвовал в исследовании, сказал: «Работа очень творческая, и ее главная ценность состоит в том, чтобы обеспечить поток ионов в биосистемы, не создавая других опасностей для них. их. В конце концов, влияние работы действительно заключается в том, можно ли найти более мелкие и более биосовместимые соединительные материалы, которые затем взаимодействуют с клетками и организмами более напрямую и эффективно."