Tế bào pin nhiên liệu siêu mỏng sử dụng đường trong cơ thể tạo ra điện

Glucose là đường mà chúng ta hấp thụ từ thức ăn. Đó cũng là nhiên liệu tạo ra năng lượng cho từng tế bào trong cơ thể của chúng ta. Vậy glucose cũng tạo ra điện cho những thiết bị y khoa được cấy ghép trong tương lai?

Các kỹ sư tại MIT và Đại học kỹ thuật Munich cũng nghĩ vậy. Họ đã thiết kế một dạng tế bào nhiên liệu glucose có thể chuyển đổi một cách trực tiếp glucose thành điện năng. Thiết bị này nhỏ hơn so với các tế bào nhiên liệu glucose khác với độ dày được đo đạc là chỉ bằng 400 nano mét, hoặc khoảng 1/100 đường kính tóc người. Nguồn điện từ đường này có thể tạo ra 43 microwatts/cm² điện năng, đạt mức mật độ năng lượng cao nhất so với các pin nhiên liệu từng được biết đến trước đây trong điều kiện thông thường.

Thiết bị mới này rất bền, điều này cho phép nó hoạt động tới mức nhiệt độ trên 600 độ C. Nếu được tích hợp trong một thiết bị y khoa được cấy ghép, tấm pin nhiên liệu này có thể còn bền ở quá trình khử trùng với mức nhiệt cao, vốn là điều kiện đòi hỏi đối với các loại thiết bị cấy ghép vào cơ thể người.

Tâm điểm của thiết bị mới được làm từ ceramic, một vật liệu có các đặc tính điện hóa ngay cả ở mức độ nhiệt cao và các quy mô tối giản khác nhau. Các nhà nghiên cứu đã hình dung thiết kế mới có thể được làm tháng dạng màng siêu mỏng hoặc các lớp phủ và cuốn quanh các thiết bị cấy ghép để tạo ra các thiết bị điện thụ động, sử dụng nguồn cung cấp glucose dồi dào trong cơ thể.

“Glucose có mặt ở khắp nơi trong cơ thể, và ý tưởng của chúng tôi là khai thác nguồn năng lượng sẵn có và sử dụng nó để cấp điện cho các thiết bị cấy ghép trong cơ thể”, Philipp Simons, người phát triển thiết kế trong khuôn khổ luận án nghiên cứu sinh tại Khoa Khoa học vật liệu và Kỹ thuật  (DMSE) ở MIT, nói. “Trong công trình nghiên cứu này, chúng tôi đã cho thấy một dạng điện hóa pin nhiên liệu mới”.

“Thay vì sử dụng pin chiếm tới 90% dung lượng một thiết bị cấy ghép, anh có thể tạo ra một thiết bị với một màng mỏng và anh có một nguồn điện không tốn diện tích”, Jennifer L. M. Rupp, người hướng dẫn Simons làm luận án tiến sĩ và là một giáo sư thỉnh giảng ở DMSE, hiện là phó giáo sư hóa học điện phân chất rắn tại trường đại học Kỹ thuật Munich ở Đức, nói.

Simons và cộng sự đã nêu rõ chi tiết thiết kế của mình trong tạp chí Advanced Materials. Đồng tác giả của nghiên cứu là Rupp, Steven Schenk, Marco Gysel, và Lorenz Olbrich.

Một phân tách khó

Việc truyền cảm hứng cho pin nhiên liệu mới này đến vào năm 2016, khi Rupp, một chuyên gia về thiết bị ceramics và điện hóa, đến xét nghiệm glucose vào cuối thời điểm thai kỳ của mình.

“Trong phòng làm việc của bác sĩ, với tư cách là một nhà điện hóa cảm thấy chán ngắt, tôi nghĩ về những điều có thể làm với đường và điện hóa”, Rupp kể lại. “Sau đó tôi nhận ra, có thể tốt cho một thiết bị ở trạng thái rắn một nguồn điện từ glucose. Rồi Philipp và tôi cùng uống coffee và đưa ra một phác thảo đầu tiên trên khăn ăn”.

Nhóm nghiên cứu này không phải là nơi đầu tiên làm về pin nhiên liệu glucose bởi nó từng được giới thiệu vào những năm 1960 và chứng tỏ tiềm năng chuyển đổi năng lượng hóa học của glucose thành năng lượng điện. Nhưng các tế bào nhiên liệu glucose tại thời điểm đó chứa các polymer mềm và nhanh chóng bị các loại pin lithium-iodide lấn át bởi khi đó loại pin này đã trở thành các nguồn điện tiêu chuẩn cho thiết bị y khoa cấy ghép, nổi tiếng nhất với máy tạo nhịp tim.

Tuy nhiên các loại pin này có giới hạn về kích thước vì thiết kế của chúng đòi hỏi các năng lực vật lý để lưu trữ năng lượng.

“Tế bào nhiên liệu chuyển đổi năng lượng trực tiếp hơn là lưu trữ trong một thiết bị, vì vậy anh không cần đến kích thước vốn để một cái pin thông thường lưu trữ năng lượng”, Rupp nói.

Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã chú ý hơn tới các tế bào nhiên liệu glucose như một nguồn điện nhỏ hơn, được tiếp nhiên liệu một cách trực tiếp từ nguồn glucose dồi dào trong cơ thể người.

Một thiết kế cơ bản về pin nhiên liệu glucose bao gồm ba lớp: một cực dương ở trên, một lớp điện phân ở giữa và một cực âm ở dưới cùng. Cực dương tương tác với glucose trong dịch cơ thể, chuyển đổi đường thành a xít gluconic. Quá trình chuyển đổi điện hóa này giải phóng một cặp proton và một cặp electron. Lớp điện phân trung gian tương tác để phân tách các proton khỏi các electron, hướng dẫn các proton xuyên qua tế bào nhiên liệu, nơi chúng kết hợp với không khí để hình thành các phân tử nước – một sản phẩm phụ không độc hại chảy cùng dịch cơ thể. Tuy nhiên các điện tích bị cô lập chảy thành một mạch ngoài, nơi chúng có thể hữu dụng để tạo ra điện cho một thiết bị điện.

Nhóm nghiên cứu cải thiện các vật liệu và các thiết kế hiện có bằng việc chỉnh sửa lớp điện phân thường được làm từ các polymer. Nhưng các đặc tính của  polymer, cùng với năng lực điều khiển các proton, dễ dàng bị giảm năng lực ở các mức nhiệt độ cao, rất khó để giữ được năng lực khi quy mô hạ xuống kích thước nano mét, và cũng khó để tiệt trùng. Các nhà nghiên cứu đã tự hỏi là liệu ceramic – một vạt liệu kháng nhiệt có thể điều khiển các proton một cách tự nhiên – có thể được dùng làm chất điện phân cho pin nhiên liệu glucose được không.

“Khi nghĩ đến ceramics cho pin nhiên liệu glucose, chúng tôi nghĩ là chúng có thể đem lại một tiến triển về độ bền dài hạn, khả năng tồn tại ở quy mô nhỏ và tích hợp được với chip silicon”, Rupp nói. “Chúng rất cứng và bền”.

Mức đỉnh năng lượng

Các nhà nghiên cứu đã thiết kế ra một pin nhiên liệu glucose với một điện phân được làm từ ceria, một vật liệu có độ dẫn ion cao, có độ bền về mặt cơ học và do đó được sử dụng rộng rãi như một chất điện phân trong các pin nhiên liệu hydro. Nó cũng được biết đến như một chất có khả năng tương thích sinh học cao.

“Ceria đã được nghiên cứu nhiều trong cộng đồng nghiên cứu về ung thư”, Simons lưu ý. “Nó cũng giống như zirconia, cũng được sử dụng trong răng bằng implant, có độ tương thích sinh học và an toàn cho người”.

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm chất điện phân này với một cực dương và một cực âm được làm từ platinum, một vật liệu bền và có tương tác với glucose. Họ đã tạo ra được 150 tấm pin nhiên liệu glucose trên một con chip, mỗi chiếc có bề dày 400 nano mét và rộng khoảng 300 micro mét (tương đương đường kính của 30 sợi tóc người). Họ làm mẫu các tấm pin này lên silicon wafer, cho thấy các thiết bị có thể được kết cặp với một vật liệu bán dẫn. Sau đó họ đo đạc dòng điện chạy qua mỗi tấm pin khi họ đưa nó vào một dung dịch glucose mỗi tấm wafer trong một điểm sạc.

Họ phát hiện ra nhiều tế bào nhiên liệu tạo ra một điện áp đỉnh khoảng 80 millivolts. Với kích thước của mỗi tế bào pin, con số này là mật độ điện năng cao nhất mà bất kỳ thiết kế pin nhiên liệu glucose có thể tạo được ra.

“Thật thú vị, chúng tôi có khả năng thu được điện năng và dòng điện đủ dùng cho các thiết bị y khoa cấy ghép”, Simons nói.

“Đây là lần đầu tiên hiện tượng dẫn proton trong vật liệu điện ceramic có thể được sử dụng để chuyển đổi glucose thành điện năng, qua đó tái định nghĩa một dạng mới của điện hóa”, Rupp nói. “Nó mở rộng vật liệu được sử dụng cho pin nhiên liệu hydro cho những mô hình chuyển đổi glucose mới đầy thú vị”.

Các nhà nghiên cứu đã “mở ra một con đường mới cho các nguồn điện vi mô để tạo ra những cảm biến có thể cấy ghép và cho những chức năng khác”, Truls Norby, một giáo sư hóa học tại trường đại học Oslo ở Nauy, người không tham gia vào nghiên cưu, nhận xét. “Vật liệu ceramic không độc hại, ít nhất không làm thay đổi những điều kiện trong cơ thể con người và điều kiện vô trùng trước khi cấy ghép. Ý tưởng này và việc chứng minh nó còn rất nhiều hứa hẹn”.

Anh Vũ tổng hợp

Nguồn: https://techxplore.com/news/2022-05-ultrathin-fuel-cell-body-sugar.html

https://www.hospimedica.com/surgical-techniques/articles/294793002/glucose-fuel-cell-uses-sugar-present-in-blood-to-power-medical-implants.html