Команда инженров-физиков из Саудовской Аравии и США разработала новый микробный топливный элемент микронного размера. Миниатюрная система состоит из нескольких слоёв графена, питается жидкостями (например, слюной) и способна выдавать до 1 мкВт мощности.

В основе технологии лежат микроорганизмы — бактерии, которые генерируют электричество из различных отходов.

Они разлагают органические вещества, в ходе чего высвобождаются электроны, которые отправляются на анод. Электроны затем проходят через внешнюю цепь к катоду, и таким образом генерируется электрический ток.

Миниатюрные топливные элементы, как правило, содержат две камеры, в которых помещаются анод и катод, отделённые полупроницаемой мембраной.

Проблема такой конструкции заключается в том, что катодную камеру необходимо регулярно пополнять свежими акцепторами электронов, например, ферроцианидом, который даёт бóльшую плотность мощности, чем более легкодоступные и менее токсичные акцепторы, такие как кислород. Последний, к слову, ранее использовался только при производстве крупномасштабных микробных топливных элементов.

Теперь команда исследователей во главе с Мухаммедом Хусейном (Muhammad Hussain) из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы совместно с коллегами из университета Пенсильвании, создала топливный элемент на основе многослойного графена и резины. Устройство также содержит воздушный катод, впервые использованный в столь миниатюрной системе.

Рис. 1. Новый микробный топливный элемент обладает простой конструкцией и миниатюрными размерами (фото Bruce Logan, Penn State).

Что ещё интереснее, Хусейну и его коллегам удалось избавиться от мембраны, тем самым упростив конструкцию, и избавиться от внутреннего сопротивления.

Графеновый анод уменьшили до размеров квадрата со стороной 1 сантиметр (в виде фольги). Затем учёные поместили между катодом и анодом резиновую прокладку толщиной 1 миллиметр при той же площади. После вырезали в центре прокладки квадратное отверстие размером 5 на 5 миллиметров, которое послужило анодной камерой. С обеих сторон резиновой прокладки вставили иголки от шприцев для впрыскивания слюны в устройство.

>«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», — рассказывает Хусейн.

Несмотря на то, что слюна преимущественно состоит из воды, она содержит неорганические и органические соединения, такие как глюкоза. Бактерии могут использовать их в качестве топлива. После испытаний устройства исследователи обнаружили, что оно производит более высокие плотности тока, чем любой другой существующий аналог — 1190 амперов на метр кубический. Один лишь анод из графеновой фольги генерирует в 40 раз больше энергии, чем обычный анод из углеродной материи. Всё это стало возможно благодаря исключительным электропроводным характеристикам графена, которые позволяют электронам быстрее двигаться по цепи.

Рис. 2. Схематическое изображение конструкции топливного элемента (иллюстрация Bruce Logan, Penn State).

«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», — говорит Хусейн.

Исследователи отмечают, что

их технология будет полезна для создания тестов на овуляцию. Известно, что во время овуляции электропроводимость слюны резко падает, вероятно, из-за увеличения содержания гормона эстрогена. Новый топливный элемент поможет 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», — утверждает Хусейн.

В настоящий момент физики ищут способы увеличения мощности устройства до диапазона милливаттов. Вероятнее всего, для этого они будут модернизировать воздушный катод.

Статья с результатами исследования вышла в открытом доступе в журнале NPG Asia Materials.