Химики и инженеры, опираясь на «конструкцию» электрогенерирующих органов электрического угря, создали гибкую биосовместимую батарею, которую можно будет использовать для моторизованных имплантатов и носимой электроники, говорится в статье, опубликованной в Nature.

Источники питания для устройств, имплантируемых внутрь живых организмов, должны быть гибкими, химически устойчивыми, нетоксичными и не вызывать реакций отторжения. Хотя гибкие и прозрачные батареи уже предлагались (как химических источников тока, так и солнечных элементов), но они не являются биосовместимыми. Зато нужными источниками тока обладают некоторые рыбы, которые используют электрические органы для ориентирования в пространстве, обороны, охоты и общения. Два вида рыб (электрический угорь и электрический скат) даже могут создавать электрический разряд напряжением в несколько сот вольт, способный парализовать человека или крупное животное.

Группа химиков из США и Швейцарии под руководством Томаса Шредера (Thomas Schroeder) из Мичиганского университета решила создать биосовместимую гибкую батарею, по своей структуре аналогичную электрическому органу одной из таких рыб — электрического угря (Electrophorus electricus).

Структура кожи электрического угря. T. B. H. Schroeder et al./ Nature, 2017

Электрический орган угря представляет собой многослойную подкожную структуру, состоящую из массива параллельных клеток (электроцитов), каждая из которых с помощью системы натрий-калиевых АТФаз создает градиент концентрации ионов, что порождает на мембране напряжение величиной до 150 милливольт. Кожа с такими клетками покрывает примерно 80 процентов тела угря, поэтому если одновременно активизировать все ионные насосы, то можно создать напряжение более 600 вольт.

В качестве аналога такой системы химики предложили использовать массив из частиц анион- и катионселективных мембран из гидрогеля, способных за счет избирательной пропускаемости ионов создавать градиент их концентрации. Вся система состояла из частиц гидрогеля четырех видов, каждый из которых имел аналог в электрической структуре кожи угря: два из элементов выполняли функции мембраны, а два других — функцию межклеточного вещества. Из нескольких тысяч таких элементов исследователи собирали цепочку, в которой можно создать напряжение в несколько десятков вольт. В предложенной методике эту цепочку получали, совмещая две плоских пленки, на каждую из которых наносились по два типа элементов. С помощью собранного таким образом массива из 2449 элементов ученым удалось получить разряд в 110 вольт.

Внешний вид двух слоев гелевой батареи. Длина масштабной линейки соответствует одному сантиметру. T. B. H. Schroeder et al./ Nature, 2017

Электрическая цепь, собранная из отдельных гелевых элементов. Длина масштабной линейки соответствует одному сантиметру. T. B. H. Schroeder et al./ Nature, 2017

Кроме плоских однослойных массивов, авторы работы предложили альтернативный способ соединения элементов, при котором они соединяются не последовательно на плоском слое, а собираются в столбики. Для этого исследователи предложили схему складывания пленки, наподобие оригами, которая тоже позволяют получить замкнутую цепочку нужной конфигурации. В результате такого складывания можно получить значительно более компактную систему.

Схема складывания гелевой батареи в многослойную структуру. T. B. H. Schroeder et al./ Nature, 2017

Авторы надеются, что если на основе предложенных механизмов удастся создать стабильно работающее устройство, то уже в ближайшем будущем оно может стать элементом питания для моторизованных имплантатов, носимой электроники и других мобильных устройств.

Автор: Александр Дубов