Микробный топливный элемент, работающий на слюне

Команда исследователей под руководством Мухаммеда Хусейна (Muhammad Hussain) из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы вместе с коллегами из университета Пенсильвании, разработала новый микробный топливный элемент на основе многослойного графена и резины. Устройство содержит воздушный катод, впервые использованный в столь миниатюрной системе, которая способна выдавать до 1 мкВт мощности.

В основе технологии лежат бактерии, генерирующие электричество из различных отходов. Они разлагают органические вещества, в процессе чего высвобождаются электроны. Они отправляются на анод, после чего проходят через внешнюю цепь к катоду, и в результате генерируется электрический ток.

Как правило, миниатюрные топливные элементы содержат две камеры, в которых помещаются анод и катод, отделённые полупроницаемой мембраной. Проблема в том, что катодную камеру необходимо постоянно пополнять свежими акцепторами электронов.

Создавая новый микробный топливный элемент специалисты из Саудовской Аравии и США смогли избавиться от мембраны (упростив, тем самым, конструкцию) и от внутреннего сопротивления.

Авторы исследования уменьшили графеновый анод до размеров квадрата со стороной 1 см (в виде фольги), после чего поместили между катодом и анодом резиновую прокладку толщиной 1 мм при той же площади. Затем ученые в качестве анодной камеры вырезали в центре прокладки квадратное отверстие (5 на 5 мм). Для впрыскивания слюны в устройство ученые с обеих сторон резиновой прокладки вставили иголки от шприцев.

Использование резины даёт нам ещё одно преимущество: устройство становится гибким, и его можно прикрепить практически к любой поверхности. Кроме того, воздушный катод исключает необходимость использования лабораторных химикатов.

– Мухаммед Хусейн

Слюна хоть и состоит в основном из воды, тем не менее, содержит неорганические и органические соединения (такие как глюкоза), которые могут быть использованы как топливо для бактерий. Испытания топливного элемента показали, что устройство производит гораздо более высокую плотность тока – 1190 ампер на метр кубический – чем какой-либо существующий аналог.

^{Конструкция топливного элемента}

^{©Bruce Logan, Penn State}

Анод из графеновой фольги генерирует в 40 раз больше энергии, чем обычный анод из углеродной материи. И всё благодаря исключительным электропроводным характеристикам графена, позволяющим электронам быстрее двигаться по цепи.

Наше исследование является первым, наглядно демонстрирующим, что слюна и, вероятно, другие высококонцентрированные органические виды топлива можно использовать для питания биоэлектронных устройств. Производя почти 1 микроватт энергии, наш топливный элемент уже достаточно эффективен для питания маломощной лаборатории на чипе.

– Мухаммед Хусейн

Данная технология, как отмечают авторы исследования, будет полезна для создания тестов на овуляцию.

Овуляция – явление, представляющее собой выход яйцеклетки (ооцита второго порядка) из яичника в брюшную полость в результате разрыва зрелого фолликула. Из брюшной полости яйцеклетка попадает в яйцевод (называемый у женщины фаллопиевой трубой), где происходит оплодотворение. Биологический смысл овуляции состоит в освобождении яйцеклетки от фолликула для её оплодотворения и дальнейшей транспортировки по половым путям самки.

Во время овуляции электропроводимость слюны резко падает, что, возможно, связано с увеличением содержания гормона эстрогена. При помощи новой разработки ученых можно будет измерить изменения этого показателя и определить период максимальной женской фертильности.

Энергии, генерируемой устройством, может быть достаточно для передачи данных на смартфон. Получается удобная и доступная технология планирования семьи.

– Мухаммед Хусейн

Сейчас ученые размышляют над тем, как увеличить мощность устройства до диапазона милливаттов. Скорее всего, они модернизируют воздушный катод.