Polscy uczeni skonstruowali oddychającą biobaterię

Ogniwo z biokatodą może wytwarzać prąd o napięciu 1,6 V ponad tydzień

Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie stworzyli oddychającą biobaterię o stosunkowo wysokiej trwałości i napięciu. Najważniejszym elementem innowacyjnego źródła zasilania stanowi pobierająca tlen z powietrza katoda.

Na uniwersytecie skonstruowano wydajną elektrodę do budowy bioogniw lub biobaterii tlenowo-cynkowych.
Po umieszczeniu w ogniwie, nowa biokatoda przez wiele godzin wytwarza napięcie wyższe od otrzymywanego w dotychczasowych źródłach zasilania podobnej konstrukcji. Urządzenie "oddycha": działa z pełną wydajnością wtedy, gdy może pobierać tlen bezpośrednio z powietrza - poinformowali przedstawiciele Instytutu.

Człowiek coraz częściej korzysta z urządzeń wspomagających funkcjonowanie ciała. Dziś są to rozruszniki serca czy aparaty słuchowe, jutro będą to soczewki kontaktowe o automatycznie zmieniającej się ogniskowej lub wyświetlacze komputerowe generujące obraz bezpośrednio w oku. Żadne z tych urządzeń nie będzie działało, jeśli nie zostanie wyposażone w wydajne i trwałe źródło zasilania. Najlepszym rozwiązaniem wydają się miniaturowe bioogniwa paliwowe zużywające substancje naturalnie występujące w ludzkim organizmie lub w jego bezpośrednim otoczeniu - tłumaczą przedstawiciele instytutu.

Jednak tradycyjne baterie i akumulatory nie mogą znaleźć zastosowania w zasilaniu implantów w ludzkim ciele. W celu ich konstrukcji używa się silnych zasad lub kwasów, które nie mogą dostać się do organizmu. Konieczne jest wiec, aby obudowa baterii gwarantowała całkowitą szczelność. Jednak im mniejsza baterai, tym lepszą musi mieć izolację. Bioogniwa paliwowe są więc interesujące, nie wymagają obudowy, bo nie zawierają bowiem substancji groźnych dla organizmu. Prąd otrzymuje się po wprowadzeniu do organizmu samych elektrod.

Jednym z najpopularniejszych doświadczeń z elektrochemii jest zrobienie bateryjki z ziemniaka poprzez wetknięcie w niego odpowiednio dobranych elektrod. My robimy coś trochę podobnego, tyle że koncentrujemy się na bioogniwach i ulepszaniu katody. No i żeby całe przedsięwzięcie miało ręce i nogi, docelowo wolelibyśmy ziemniaka zastąpić... człowiekiem - mówi dr Martin Jonsson-Niedziółka z IChF PAN.

Podstawowym elementem biokatody stworzonej w warszawskim instytucie jest enzym otoczony nanorurkami węglowymi i zamknięty w porowatej strukturze – matrycy polikrzemianowej osadzonej na membranie przepuszczającej tlen. Potem elektroda jest umieszczana we fragmencie ścianki małego pojemnika. Do wnętrza pojemnika wystarczy wlać elektrolit - roztwór z jonami wodoru - i wsunąć w niego cynkową anodę, aby elektroda zadziałała. W centrach aktywnych enzymu przebiega reakcja redukcji tlenu i wydziela się energia.

W doświadczeniach grupa dr. Jonssona-Niedziółki korzysta ze znanego wcześniej ogniwa tlenowo-cynkowe. Ogniwo z nową biokatodą jest w stanie wytwarzać prąd o napięciu 1,6 V ponad półtora tygodnia. Potem jednak wydajność ogniwa zmniejsza się, zapewne przez stopniową dezaktywację enzymu na biokatodzie.
Tu wszystko zależy już nie od nas, a od postępu w biotechnologii. Gdyby udało się opracować procesy regenerowania enzymu, czas działania ogniw z naszą biokatodą mógłby się znacznie wydłużyć - mówi dr Jonsson-Niedziółka.

W przeprowadzonych badaniach cztery połączone szeregowo biobaterie z nową katodą, zasilały dwudiodową lampkę. Jednak przed upowszechnieniem bioogniw bazujących na konstrukcji opracowanej w IChF PAN, uczeni muszą poradzić sobie z problemem stosunkowo małej mocy prądu, charakterystyczny dla wszystkich typów bioogniw.

Opisane badania mają znaczenie nie tylko z uwagi na miniaturyzację źródeł zasilania dla implantów medycznych, biosensorów czy świecących tatuaży. Procesy odpowiedzialne za generowanie prądu w bioogniwach potencjalnie nadają się do wykorzystania w produkcji energii elektrycznej w większej skali. Czynnikiem limitującym są tu jednak własności samych enzymów, dlatego dalszy postęp w tym zakresie w istotnej części zależy od rozwoju samej biotechnologii- uważają przedstawiciele Instytutu.

(ma)