Брюс Э. Логан, профессор Эвана Пью и профессор экологической инженерии Каппе, Пенсильванский университет, доверили идею коллеге-исследователю Джастин Э. Норка. «Идея принадлежала Жюстин, потому что она думала о датчиках для таких вещей, как мониторинг глюкозы для диабетиков, и ей было интересно, можно ли использовать мини-микробный топливный элемент», — сказал Логан. "В слюне много органических веществ."
Микробные топливные элементы создают энергию, когда бактерии разрушают органический материал, производя заряд, который передается на анод.
Логан, который изучал микробные топливные элементы более десяти лет, обычно рассматривает сточные воды как источник как органических материалов, так и бактерий для создания электричества или водорода, но эти крошечные машины немного отличаются.
«Производя мощность почти 1 микроватт, этот микроваттный МФЦ с слюной уже вырабатывает достаточно энергии для непосредственного использования в качестве сборщика энергии в микроэлектронных приложениях», — сообщают исследователи в недавнем выпуске журнала Nature Publishing Group’s Asia Materials.
Исследователи считают, что появление биомедицинской электроники на уровне микросхем со сверхнизким энергопотреблением, устройств, способных работать с выходной мощностью менее микроватт, становится реальностью. Одним из возможных приложений может быть крошечный предсказатель овуляции, основанный на проводимости слюны женщины, которая изменяется за пять дней до овуляции. Устройство будет измерять проводимость слюны, а затем использовать слюну для питания, чтобы отправить показания на ближайший сотовый телефон.
Биомедицинские устройства, использующие микробные топливные элементы микробов, будут портативными, и их источники энергии будут доступны где угодно. Однако в слюне нет бактерий, необходимых для топливных элементов, и производителям необходимо засеять устройства бактериями из окружающей среды.
В прошлом самые маленькие топливные элементы были двухкамерными, но в этой микроверсии используется одна камера с графеновым, а не покрытым платиной анодом из углеродной ткани и воздушным катодом. Раньше воздушные катоды не использовались, потому что, если кислород может попасть к бактериям, они могут дышать кислородом и не производят электричество.
«Ранее мы избегали использования воздушных катодов в этих системах, чтобы избежать загрязнения кислородом близко расположенных электродов», — сказал Логан. «Однако эти микроэлементы работают на микронных расстояниях между электродами. Мы не до конца понимаем почему, но в итоге они сработали."
Анод на самом деле состоит из графена из углеродного наноматериала. В других микробных топливных элементах используется оксид графена, но исследователи показали, что чистый многослойный графен может служить подходящим анодным материалом.
Хотя исследователи протестировали этот мини-микробный топливный элемент с использованием ацетата и человеческой слюны, он может использовать любую жидкость с достаточным количеством органических материалов.
Жюстин Э. Норка, кандидат технических наук.D. получатель, Университет науки и технологий Короля Абдаллы, был первым автором этой статьи.
Также над этим проектом работали Мухаммад М. Хуссейн, доцент, и Рами М. Каиси, аспирант, КАУСТ.
КАУСТ поддержал эту работу.