Микро-суперконденсатор уменьшили в 3 тыс. раз и сделали биосовместимым
В свежем номере журнала Nature Communications немецкие инженеры из Технологического университета Хемница, Института исследования твёрдого тела и материалов (IFW) и Института исследований полимеров (IPF) в Дрездене отчитались о создании самых маленьких на сегодняшний день микро-суперконденсаторов, которые уже функционируют в (искусственных) кровеносных сосудах и используются в качестве источника энергии для крошечной сенсорной системы измерения pH.
Так называемые нано-биосуперконденсаторы (nBSC) полностью биосовместимы и даже могут компенсировать саморазряд за счет биоэлектрохимических реакций самого организма. Ферментативные окислительно-восстановительные реакции и живые клетки, естественным образом присутствующие в крови, повышают производительность устройства на 40%.
Занимая объём 0,001 мм3 (1 нанолитр), новые устройства в 3000 раз меньше самых маленьких аналогов, известных до сих пор. Такой nBSC занимает меньше места, чем пылинка, но при этом выдает напряжение до 1,6 В, как стандартная батарейка AAA (фактический ток в наномасштабе, конечно, значительно ниже).
Гибкая трубчатая трёхмерная геометрия с использованием техники Origami обеспечивает nBSC эффективную защиту от деформаций, вызванных пульсацией крови или сокращением мышц. Структурная технология Origami заключается в размещении компонентов nBSC на тонкой поверхности под высоким механическим напряжением. Когда слои материала отделяются от поверхности контролируемым образом, энергия деформации высвобождается, и слои с высокой точностью развёртываются, формируя компактные 3D-устройства.
Из трёх таких nBSC, соединённых последовательно, была образована полностью интегрированная и сверхкомпактная система из источника энергии и сенсора для измерения значения pH в крови.
Система была успешно испытана в трех электролитах: физиологическом растворе, плазме крови и крови. В крови нано-биосуперконденсатор показал наилучший срок службы, сохранив до 70% своей начальной ёмкости даже по прошествии 16 часов.
Продемонстрированные качества nBSC открывают перед этими устройствами широкий спектр возможных сценариев прикладного использования, как в диагностике, так и в лечении заболеваний.