Бактериальные топливные элементы научились получать энергию из слюны

Графеновый анод впервые позволил подобному устройству добиться приемлемой мощности без использования высокотоксичных соединений.

Исследователи из Саудовской Аравии и США во главе с Мухаммадом Хуссейном (Muhammad Hussain), представляющим Научно-технологический университет им. Короля Абдаллы, создали топливный элемент на графене, который может черпать энергию из... слюны.

Нет, оставьте мечты: получать энергию — это по-прежнему не «раз плюнуть». Микронное устройство вырабатывает всего 1 мкВт, что неудивительно, так как слюна всё же не совсем бензин. Тем не менее это очень интересно: разработка должна показать себя как средство быстрой медицинской диагностики, причём даже в таких, казалось бы, странных вариантах использования, как определение даты овуляции (что, напомним, полезно для планирования семьи). Но более всего интересно другое: как вообще из чего-то, что никак не может быть топливом, удалось получить энергию?


Микронный бактериальный топливный элемент имеет две камеры, катод и анод, разделённые полупроницаемой мембраной. Обычно в качестве наполнителя катода используют гексацианоферриаты. Да ну вас, возмутится иной читатель: «Лягушку вашу пайковую мне хоть сахаром облепи, не возьму её в рот, и гнилой селёдки тоже не возьму!» Совершенно верно: вещество, в названии которого есть «циан», даже в рот брать не хочется (тем более что соединение токсичное), а тут ещё и медицинская диагностика.

Увы, именно гексацианоферриаты обеспечивают высокую плотность «упаковки» акцепторов электронов, которую кислород, используемый в крупных, полномасштабных топливных элементах, предоставлять не хочет. Заменить их кислородом? — Загубить всё дело, поскольку эффективность работы топливного элемента будет слишком низкой, чтобы запитать от него даже диагностический датчик. Как же быть?

Исследователи создали многослойную графеновую оболочку, которую использовали как анод, не требующий мембраны, что в итоге позволило снизить внутреннее сопротивление всей структуры и получать приемлемый ток при применении в качестве окислителя обычного кислорода воздуха.

Вместо мембраны между анодом из графена и катодом была проложена миллиметровая резиновая пластина, в которой вырезали квадратное отверстие 5×5 мм. Затем к резиновой пластинке присоединили несколько микроканальцев для впрыскивания слюны, подававшейся в систему с помощью обычного маленького шприца.

И всё равно, откуда берётся энергия? Слюна, конечно, в основном состоит из воды. И всё же в ней есть неорганические и органические соединения, которые бактерия может использовать как топливо. Несмотря на микронные по толщине размеры, новый бактериальный топливный элемент даёт плотность тока в пересчёте на квадратные метры, равную 1 190 А/м³. Это лучше, чем у любой микронной же установки такого типа из известных на сегодня — причём показатель получен безо всяких токсичных и сложных окислителей на катоде. Достичь этого удалось потому, что графеновый анод выдаёт на единицу площади в 40 раз больше, чем обычный углеродный, так как электроны по графену двигаются к катоду много быстрее, чем по обычному углероду.

«Мы первыми показали, что слюна (и, скорее всего, другие высококонцентрированные органические жидкости) может быть использована для запитывания биоэлектронных устройств, — подчёркивает г-н Хуссейн. — Вырабатывая примерно один микроватт, наш микронный по размеру бактериальный топливный элемент уже сейчас способен питать лабораторию-на-чипе, скажем, систему снятия электроэнцефалограммы, способную здесь и сейчас предупредить о надвигающемся эпилептическом припадке».

Другим вариантом применения может быть датчик проводимости слюны, параметры которой у человека часто меняются. Так, за пять дней до овуляции проводимость слюны резко падает, что может быть использовано для неинвазивного планирования семьи, позволяя с помощью встроенного датчика с беспроводной связью заранее знать, когда женщина максимально склонна к зачатию.