2022-05-15Celda de combustible ultrafina utiliza el propio azúcar del cuerpo para generar electricidad
MIT |Los ingenieros han desarrollado una fuente de energía de glucosa que podría alimentar sensores e implantes en miniatura.La glucosa es el azúcar que absorbemos de los alimentos que comemos. Es el combustible que alimenta cada célula de nuestro cuerpo. ¿Podría la glucosa también impulsar los implantes médicos del mañana?
Los ingenieros del MIT y la Universidad Técnica de Munich creen que sí. Han diseñado un nuevo tipo de celda de combustible de glucosa que convierte la glucosa directamente en electricidad. El dispositivo es más pequeño que otras celdas de combustible de glucosa propuestas, mide solo 400 nanómetros de espesor, o alrededor de 1/100 del diámetro de un cabello humano. La fuente de energía azucarada genera alrededor de 43 microvatios por centímetro cuadrado de electricidad, logrando la mayor densidad de energía de cualquier celda de combustible de glucosa hasta la fecha en condiciones ambientales.
El nuevo dispositivo también es resistente, capaz de soportar temperaturas de hasta 600 grados centígrados. Si se incorpora a un implante médico, la celda de combustible podría permanecer estable a través del proceso de esterilización a alta temperatura requerido para todos los dispositivos implantables.
El corazón del nuevo dispositivo está hecho de cerámica, un material que conserva sus propiedades electroquímicas incluso a altas temperaturas y escalas en miniatura. Los investigadores prevén que el nuevo diseño podría convertirse en películas o recubrimientos ultrafinos y envolver implantes para alimentar electrónicamente de forma pasiva, utilizando el abundante suministro de glucosa del cuerpo.
“La glucosa está en todas partes del cuerpo, y la idea es recolectar esta energía fácilmente disponible y usarla para alimentar dispositivos implantables”, dice Philipp Simons, quien desarrolló el diseño como parte de su tesis doctoral en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT (DMSE). "En nuestro trabajo, mostramos una nueva electroquímica de celda de combustible de glucosa".
"En lugar de usar una batería, que puede ocupar el 90 por ciento del volumen de un implante, podría fabricar un dispositivo con una película delgada y tendría una fuente de energía sin huella volumétrica", dice Jennifer LM Rupp, tesis de Simons. supervisor y profesor visitante de DMSE, que también es profesor asociado de química de electrolitos de estado sólido en la Universidad Técnica de Munich en Alemania.
Simons y sus colegas detallan su diseño hoy en la revista Advanced Materials. Los coautores del estudio incluyen a Rupp, Steven Schenk, Marco Gysel y Lorenz Olbrich.
Una separación “dura”
La inspiración para la nueva celda de combustible llegó en 2016, cuando Rupp, que se especializa en cerámica y dispositivos electroquímicos, fue a hacerse una prueba de glucosa de rutina hacia el final de su embarazo.
“En el consultorio del médico, yo era un electroquímico muy aburrido, pensando en lo que podrías hacer con el azúcar y la electroquímica”, recuerda Rupp. “Entonces me di cuenta de que sería bueno tener un dispositivo de estado sólido alimentado por glucosa. Y Philipp y yo nos reunimos tomando un café y escribimos en una servilleta los primeros dibujos”.
El equipo no es el primero en concebir una celda de combustible de glucosa, que se introdujo inicialmente en la década de 1960 y mostró potencial para convertir la energía química de la glucosa en energía eléctrica. Pero las pilas de combustible de glucosa en ese momento se basaban en polímeros blandos y fueron eclipsadas rápidamente por las baterías de yoduro de litio, que se convertirían en la fuente de energía estándar para los implantes médicos, en particular el marcapasos cardíaco.
Sin embargo, las baterías tienen un límite en cuanto a su tamaño, ya que su diseño requiere la capacidad física para almacenar energía.
“Las celdas de combustible convierten la energía directamente en lugar de almacenarla en un dispositivo, por lo que no necesita todo ese volumen que se requiere para almacenar energía en una batería”, dice Rupp.
En los últimos años, los científicos han vuelto a analizar las células de combustible de glucosa como fuentes de energía potencialmente más pequeñas, alimentadas directamente por la abundante glucosa del cuerpo.
El diseño básico de una celda de combustible de glucosa consta de tres capas: un ánodo superior, un electrolito intermedio y un cátodo inferior. El ánodo reacciona con la glucosa en los fluidos corporales, transformando el azúcar en ácido glucónico. Esta conversión electroquímica libera un par de protones y un par de electrones. El electrolito intermedio actúa para separar los protones de los electrones, conduciendo los protones a través de la celda de combustible, donde se combinan con el aire para formar moléculas de agua, un subproducto inofensivo que fluye con el líquido del cuerpo. Mientras tanto, los electrones aislados fluyen hacia un circuito externo, donde pueden usarse para alimentar un dispositivo electrónico.
El equipo buscó mejorar los materiales y diseños existentes modificando la capa de electrolito, que a menudo está hecha de polímeros. Pero las propiedades de los polímeros, junto con su capacidad para conducir protones, se degradan fácilmente a altas temperaturas, son difíciles de retener cuando se reducen a la dimensión de nanómetros y son difíciles de esterilizar. Los investigadores se preguntaron si una cerámica, un material resistente al calor que puede conducir protones de forma natural, podría convertirse en un electrolito para las pilas de combustible de glucosa.
“Cuando se piensa en la cerámica para una celda de combustible de glucosa de este tipo, tienen la ventaja de la estabilidad a largo plazo, la pequeña escalabilidad y la integración de chips de silicio”, señala Rupp. “Son duros y robustos”.
La punta del Poder
Los investigadores diseñaron una celda de combustible de glucosa con un electrolito hecho de ceria, un material cerámico que posee una alta conductividad iónica, es mecánicamente robusto y, como tal, se usa ampliamente como electrolito en celdas de combustible de hidrógeno. También se ha demostrado que es biocompatible.
"Ceria se estudia activamente en la comunidad de investigación del cáncer", señala Simons. “También es similar a la zirconia, que se usa en implantes dentales, y es biocompatible y segura”.
El equipo intercaló el electrolito con un ánodo y un cátodo hechos de platino, un material estable que reacciona fácilmente con la glucosa. Fabricaron 150 celdas de combustible de glucosa individuales en un chip, cada una de unos 400 nanómetros de grosor y unos 300 micrómetros de ancho (aproximadamente el ancho de 30 cabellos humanos). Modelaron las células en obleas de silicio, lo que demuestra que los dispositivos se pueden emparejar con un material semiconductor común. Luego midieron la corriente producida por cada celda mientras hacían fluir una solución de glucosa sobre cada oblea en una estación de prueba fabricada a medida.
Descubrieron que muchas celdas producían un voltaje máximo de alrededor de 80 milivoltios. Dado el diminuto tamaño de cada celda, esta salida es la densidad de potencia más alta de cualquier diseño de celda de combustible de glucosa existente.
“De manera emocionante, podemos extraer energía y corriente suficientes para alimentar dispositivos implantables”, dice Simons.
"Es la primera vez que la conducción de protones en materiales electrocerámicos se puede utilizar para la conversión de glucosa en energía, lo que define un nuevo tipo de electroquímica", dice Rupp. “Amplía los casos de uso de materiales desde las celdas de combustible de hidrógeno hasta nuevos y emocionantes modos de conversión de glucosa”.
Los investigadores “han abierto una nueva ruta hacia fuentes de energía en miniatura para sensores implantados y quizás otras funciones”, dice Truls Norby, profesor de química en la Universidad de Oslo en Noruega, quien no contribuyó al trabajo. “Las cerámicas utilizadas no son tóxicas, son baratas y no menos inertes tanto a las condiciones del cuerpo como a las condiciones de esterilización antes de la implantación. El concepto y la demostración hasta ahora son realmente prometedores”.
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