La biologie de l'anguille électrique inspire une puissante batterie au gel
Une approche unique pour développer des piles non toxiques destinées à être utilisées dans des dispositifs médicaux et plus encore
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Les sources d'énergie utilisées dans les dispositifs placés à l'intérieur ou autour des tissus biologiques doivent être souples et non toxiques, tout en étant suffisamment puissantes pour soutenir des technologies exigeantes telles que les dispositifs médicaux ou la robotique douce. Pour parvenir à cet équilibre, des chercheurs de l'État de Pennsylvanie s'inspirent d'un endroit "choquant" : les anguilles électriques.
L'équipe a utilisé une méthode de fabrication de pointe pour superposer plusieurs types d'hydrogels - un matériau riche en eau capable de conduire l'électricité - selon un modèle spécifique qui imite les processus ioniques que les anguilles électriques utilisent pour générer des rafales électriques. Leur approche permet de produire des sources d'énergie avec des densités de puissance plus élevées que d'autres conceptions basées sur les hydrogels, tout en restant flexibles, sans support, stables sur le plan environnemental et biologiquement compatibles. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans la revue Advanced Science.
Selon Joseph Najem, professeur adjoint de génie mécanique et auteur correspondant de l'article, les chercheurs se sont inspirés de la biologie des poissons électriques, tels que les anguilles, pour développer des sources d'énergie douces. Cependant, la plupart des dispositifs existants inspirés des anguilles produisent une puissance limitée et nécessitent un support mécanique pour fonctionner. Pour résoudre ces problèmes, l'équipe a ajusté la chimie des matériaux pour fabriquer des hydrogels très fins, qui peuvent produire plus d'énergie sans nécessiter de support mécanique.
"Les électrocytes des anguilles électriques sont des cellules biologiques ultrafines, capables de générer plus de 600 volts d'électricité en une brève rafale", explique M. Najem. "Ces cellules atteignent des densités de puissance très élevées, ce qui signifie qu'elles peuvent produire beaucoup d'énergie à partir de petits volumes.
L'équipe a construit ses sources d'énergie uniquement à partir d'hydrogel pour s'assurer que les batteries restent non toxiques et flexibles, même si elles deviennent plus puissantes.
"Pour les applications biomédicales et quasi-biologiques, nous devons nous assurer que les batteries sont compatibles avec leur environnement, flexibles, sûres et idéalement capables d'utiliser les ressources disponibles pour se recharger", a déclaré M. Najem. "C'est ce qui nous a incités à développer nos sources d'énergie puissantes dans un système à base d'hydrogel, qui fonctionnerait bien dans les environnements biologiques.
À l'aide du spin coating, une technique qui permet de déposer des couches ultrafines de matériau sur une surface rotative, l'équipe a déposé quatre mélanges d'hydrogels différents, chacun ayant une épaisseur de seulement 20 micromètres, soit une fraction de la largeur d'un cheveu humain. Cette géométrie fine réduit la résistance interne, ce qui est essentiel pour produire une puissance élevée, tout en préservant la résistance mécanique et la flexibilité, a expliqué M. Najem.
"Dans les études précédentes, les hydrogels nécessitaient généralement des structures de soutien externes, ce qui rendait cette approche peu pratique et conduisait à des puissances faibles", a déclaré Dor Tillinger, candidat au doctorat en génie mécanique et coauteur de l'article. "Nous avons constaté que l'utilisation d'un hydrogel fin réduisait naturellement la résistance interne du matériau, ce qui augmentait les densités d'énergie que nous pouvions produire".
Pour rendre l'hydrogel plus fin, l'équipe a dû ajuster la chimie. Wonbae Lee, doctorant en science et ingénierie des matériaux et coauteur, explique comment l'équipe a testé plusieurs approches avant de décider du mélange optimal.
"Nous avons dû soigneusement ajuster le mélange chimique pour que l'hydrogel puisse s'étaler uniformément lors de l'enduction à la tournette, rester mécaniquement stable et être suffisamment fin pour maintenir une faible résistance électrique", a déclaré M. Lee. "Les formulations conventionnelles s'envolaient simplement de la surface de filage pendant l'enduction par centrifugation. L'optimisation de la viscosité et de la résistance mécanique de notre hydrogel était essentielle pour que cette approche fonctionne."
L'équipe a utilisé des instruments dans le laboratoire de Najem et à l'Institut de recherche sur les matériaux pour recueillir des mesures électrochimiques de leurs sources d'énergie, telles que la vitesse de décharge, la densité de puissance et le potentiel de conduction. Leurs nouvelles sources d'énergie présentaient des densités de puissance d'environ 44 kW/m3 - plus élevées que les sources d'énergie à base d'hydrogel précédemment rapportées, et capables d'alimenter efficacement des dispositifs complexes tels que des capteurs médicaux implantés, des contrôleurs de robotique douce et de l'électronique portable.
"En outre, ces optimisations matérielles permettent de fonctionner dans des environnements extrêmes", a déclaré M. Lee. "En incorporant le glycérol chimique, les sources d'énergie en hydrogel restent fonctionnelles à des températures aussi basses que 80 degrés Celsius (C), ou -112 degrés Fahrenheit (F), sans geler.
Le matériau retient également l'eau plus longtemps que les hydrogels conventionnels. Alors que les hydrogels standard peuvent se déshydrater en quelques minutes et perdre leur conductivité, la nouvelle formulation peut rester hydratée pendant des jours dans l'air, a déclaré M. Najem.
"À notre connaissance, il s'agit de la première source d'énergie entièrement contenue dans une solution d'hydrogel qui ne nécessite aucun support externe. "Nous n'avons connaissance d'aucune autre technologie d'hydrogel capable d'atteindre de telles densités d'énergie tout en restant flexible et stable sur le plan environnemental.
Selon Tillinger et Lee, les travaux futurs se concentreront sur l'augmentation de la densité de puissance et de l'efficacité de recharge des sources d'énergie, tout en explorant les capacités d'auto-chargement.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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