Эпидермальные биотопливные клетки — это крупный прорыв в этой области, которая борется за создание достаточно растяжимых и мощных устройств. Инженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего смогли добиться этого прорыва благодаря сочетанию продуманной химии, современных материалов и электронных интерфейсов.
Это позволило им создать растяжимую электронную основу с помощью литографии и трафаретной печати для изготовления катодных и анодных массивов на основе углеродных нанотрубок.Биотопливные элементы оснащены ферментом, который окисляет молочную кислоту, присутствующую в человеческом поту, для генерации тока. Это превращает пот в источник силы.
Инженеры сообщают о своих результатах в июньском номере Energy. Наука об окружающей среде.
В статье они описывают, как они подключили биотопливные элементы к изготовленной на заказ печатной плате, и продемонстрировали, что устройство может питать светодиод, пока человек, носящий его, тренировался на велотренажере. Профессор Джозеф Ван, который руководит Центром носимых датчиков в Калифорнийском университете в Сан-Диего, руководил исследованием в сотрудничестве с профессором электротехники и соруководителем центра Патриком Мерсье и профессором наноинженерии Шэн Сюй, которые также работают в инженерной школе Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего. .Острова и мостыЧтобы быть совместимым с носимыми устройствами, биотопливный элемент должен быть гибким и растяжимым.
Поэтому инженеры решили использовать то, что они называют структурой «мост и остров», разработанной исследовательской группой Сюя. По сути, ячейка состоит из рядов точек, каждая из которых соединена пружинными структурами. Половина точек составляет анод ячейки; другая половина — катод. Пружинные конструкции могут растягиваться и изгибаться, что делает ячейку гибкой без деформации анода и катода.
Основа конструкции островов и мостов изготовлена методом литографии и выполнена из золота. В качестве второго шага исследователи использовали трафаретную печать для нанесения слоев биотопливных материалов поверх анодных и катодных точек.Повышение плотности энергииСамой большой проблемой исследователей было увеличение плотности энергии биотопливного элемента, то есть количества энергии, которое он может генерировать на единицу площади поверхности.
Повышение плотности энергии является ключом к повышению производительности биотопливных элементов. Чем больше энергии могут генерировать клетки, тем мощнее они могут быть.«Нам нужно было определить наилучшую комбинацию материалов для использования и в каком соотношении их использовать», — сказал Амай Бандодкар, один из первых авторов статьи, который тогда был доктором философии. студент исследовательской группы Вана.
Сейчас он доктор наук в Северо-Западном университете.Чтобы увеличить удельную мощность, инженеры напечатали трехмерную структуру углеродных нанотрубок поверх анодов и катодов. Такая структура позволяет инженерам загружать в каждую анодную точку больше фермента, который реагирует на молочную кислоту и оксид серебра на катодных точках. Кроме того, трубки облегчают перенос электронов, что улучшает характеристики биотопливного элемента.
Тестирование приложенийБиотопливный элемент был подключен к специальной печатной плате, изготовленной исследовательской группой Мерсье. Плата представляет собой преобразователь постоянного тока в постоянный, который выравнивает мощность, генерируемую топливными элементами, которая колеблется в зависимости от количества пота, производимого пользователем, и превращает ее в постоянную мощность с постоянным напряжением.
Исследователи снабдили четырех испытуемых комбинацией "клетка-доска для биотоплива" и заставили их тренироваться на велотренажере. Испытуемые могли включить синий светодиод примерно на четыре минуты.
Следующие шагиДальнейшая работа необходима по двум направлениям.
Во-первых, оксид серебра, используемый на катоде, является светочувствительным и со временем разрушается. В конечном итоге исследователям потребуется найти более стабильный материал.Кроме того, концентрация молочной кислоты в поте человека со временем снижается.
Вот почему во время езды на велосипеде испытуемые могли зажечь светодиод всего на четыре минуты. Команда изучает способ хранения произведенной энергии при достаточно высокой концентрации лактата и постепенного ее высвобождения.