La biologia dell'anguilla elettrica ispira una potente batteria al gel
Un approccio unico allo sviluppo di batterie atossiche da utilizzare nei dispositivi medici e non solo
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Le fonti di energia utilizzate nei dispositivi che si trovano all'interno o intorno ai tessuti biologici devono essere flessibili e non tossiche, ma allo stesso tempo abbastanza potenti da supportare tecnologie impegnative come i dispositivi medici o la robotica morbida. Per raggiungere questo equilibrio, i ricercatori della Penn State si sono ispirati a un luogo "scioccante": le anguille elettriche.
Il team ha utilizzato un metodo di fabbricazione all'avanguardia per stratificare diversi tipi di idrogeli - un materiale ricco di acqua in grado di condurre l'elettricità - in uno schema specifico che imita i processi ionici utilizzati dalle anguille elettriche per generare scariche elettriche. Il loro approccio produce sorgenti di energia con densità di potenza più elevate rispetto ad altri progetti basati su idrogel, pur rimanendo flessibili, privi di supporto, stabili dal punto di vista ambientale e biologicamente compatibili. I risultati sono stati pubblicati su Advanced Science.
Secondo Joseph Najem, professore assistente di ingegneria meccanica e autore corrispondente dell'articolo, i ricercatori hanno guardato alla biologia dei pesci elettrici, come le anguille, come fonte di ispirazione per sviluppare fonti di energia morbida. Tuttavia, la maggior parte dei dispositivi esistenti ispirati alle anguille produce una potenza limitata e richiede un supporto meccanico per funzionare. Per risolvere questi problemi, il team ha modificato la chimica dei materiali per fabbricare idrogeli molto sottili, che possono produrre più energia senza bisogno di supporti meccanici.
"Gli elettrociti delle anguille elettriche sono cellule biologiche ultrasottili, in grado di generare oltre 600 volt di elettricità in una breve scarica", ha detto Najem. "Queste cellule raggiungono densità di potenza molto elevate, il che significa che possono produrre molta energia da piccoli volumi".
Il team ha costruito le sorgenti di energia solo con l'idrogel per garantire che le batterie rimanessero atossiche e flessibili, anche quando diventavano più potenti.
"Per le applicazioni biomediche e di quasi-biologia, dobbiamo assicurarci che le batterie siano compatibili con l'ambiente circostante, flessibili, sicure e idealmente in grado di utilizzare le risorse disponibili per ricaricarsi", ha detto Najem. "Questo ci ha spinto a sviluppare le nostre fonti di energia forte in un sistema a base di idrogel, in grado di funzionare bene negli ambienti biologici".
Utilizzando lo spin coating, una tecnica che deposita strati sottilissimi di materiale su una superficie rotante, il team ha stratificato quattro diverse miscele di idrogel, ciascuna spessa solo 20 micrometri - una frazione della larghezza di un capello umano. Questa geometria sottile riduce la resistenza interna, essenziale per produrre un'elevata potenza, preservando al contempo la resistenza meccanica e la flessibilità, ha spiegato Najem.
"Negli studi precedenti, gli idrogel richiedevano in genere strutture di supporto esterne, il che rendeva questo approccio poco pratico e portava a una bassa potenza di uscita", ha dichiarato Dor Tillinger, dottorando di ingegneria meccanica e co-autore del lavoro. "Abbiamo scoperto che l'uso di un idrogel sottile riduceva naturalmente la resistenza interna del materiale, aumentando così la densità di potenza che potevamo produrre".
Per rendere l'idrogel più sottile, il team ha dovuto modificare la chimica. Wonbae Lee, dottorando in scienza e ingegneria dei materiali e primo autore, ha spiegato come il team abbia testato diversi approcci prima di decidere la miscela ottimale.
"Abbiamo dovuto mettere a punto con attenzione la miscela chimica in modo che l'idrogel potesse diffondersi in modo uniforme durante il rivestimento con spin coating, rimanere meccanicamente stabile ed essere abbastanza sottile da mantenere una bassa resistenza elettrica", ha detto Lee. "Le formulazioni convenzionali volavano via dalla superficie di filatura durante il rivestimento. Ottimizzare la viscosità e la resistenza meccanica del nostro idrogel è stato essenziale per far funzionare questo approccio".
Il team ha utilizzato la strumentazione del laboratorio di Najem e dell'Istituto di Ricerca sui Materiali per raccogliere misure elettrochimiche dalle loro fonti di energia, come la velocità di scarica, la densità di potenza e il potenziale conduttivo. Le nuove sorgenti di energia hanno mostrato densità di potenza di circa 44 kW/m3, superiori a quelle precedentemente riportate a base di idrogel, e sono in grado di alimentare in modo efficiente dispositivi complessi come sensori medici impiantati, controllori di robotica morbida ed elettronica indossabile.
"Inoltre, queste ottimizzazioni del materiale consentono il funzionamento in ambienti estremi", ha dichiarato Lee. "Incorporando il glicerolo chimico, le sorgenti di energia idrogel rimangono funzionali a temperature fino a 80 gradi Celsius (C), o -112 gradi Fahrenheit (F), senza congelare".
Il materiale trattiene inoltre l'acqua più a lungo rispetto agli idrogel convenzionali. Mentre gli idrogeli standard possono disidratarsi in pochi minuti e perdere conduttività, la nuova formulazione può rimanere idratata per giorni all'aria, ha detto Najem.
"A nostra conoscenza, questa è la prima fonte di energia interamente contenuta in una soluzione di idrogel che non richiede alcun supporto esterno", ha detto Najem. "Non siamo a conoscenza di nessun'altra tecnologia idrogel che possa raggiungere queste densità di potenza rimanendo flessibile e stabile dal punto di vista ambientale".
Secondo Tillinger e Lee, il lavoro futuro si concentrerà sull'ulteriore aumento della densità di potenza e dell'efficienza di ricarica delle fonti di energia, esplorando anche le capacità di auto-ricarica.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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