Самый маленький биосуперконденсатор обеспечивает энергией для биомедицинских применений
Международная исследовательская группа под руководством профессора Оливера Г. Шмидта из Технологического университета Хемница создала прототип самого маленького на сегодняшний день микросуперконденсатора, который функционирует в кровеносных сосудах и может служить источником энергии для крошечной системы датчиков. Результаты опубликованы в Nature Communications.
Меньше пылинки — напряжение как у батарейки AAA
Команда разработала трубчатый нанобиосуперконденсатор (nBSC) объёмом 0.001 мм³ (1 нанолитр), что в 3000 раз меньше существующих аналогов. Несмотря на размер, он обеспечивает напряжение до 1.6 В, сравнимое с напряжением стандартной батарейки AAA.
Ключевые свойства устройства:
- Полная биосовместимость: работает в физиологических жидкостях (солевой раствор, плазма, кровь).
- Компенсация саморазряда: биоэлектрохимические реакции и живые клетки в крови увеличивают производительность устройства на 40%.
- Гибкость и устойчивость: трубчатая геометрия обеспечивает защиту от деформаций при пульсации крови.
В тестах в крови нанобиосуперконденсатор сохранил до 70% первоначальной ёмкости даже после 16 часов.
Технология оригами и стабильность в реалистичных условиях
Устройство изготовлено по технологии оригами-структур ("Swiss-roll"). Тонкие слои материалов самостоятельно сворачиваются в компактные 3D-устройства с высокой точностью и выходом (95%).
Производительность nBSC проверяли в микрофлюидных каналах (диаметром 120–150 мкм), имитирующих кровеносные сосуды. Устройство стабильно обеспечивало энергию при различных условиях потока и давления, соответствующих физиологическим.
Автономная система датчиков для диагностики
Исследователи создали полностью интегрированную систему для измерения pH крови, что может помочь в раннем обнаружении опухолей. Система включает:
- Кольцевой генератор на основе тонкоплёночных транзисторов (TFT), работающий при низкой мощности (нВт–мкВт).
- Три последовательно соединённых nBSC для энергоснабжения.
- pH-чувствительный элемент, интегрированный в генератор (частота на выходе меняется в зависимости от pH).
Вся система свёрнута в трубчатую 3D-геометрию, а её полый внутренний канал служит для протока плазмы крови.
«Архитектура наших нано-био суперконденсаторов предлагает первое потенциальное решение одной из самых больших проблем — крошечных интегрированных устройств хранения энергии, которые позволяют автономно работать многофункциональным микросистемам», — говорит доктор Винит Кумар, исследователь из команды профессора Шмидта.
Эта разработка открывает возможности для создания внутрисосудистых имплантатов и микророботических систем, способных работать в труднодоступных областях человеческого тела.