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迄今最小生物超級電容器研發(fā)成功
日期:2021-08-26   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:sy_shenlu 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
據(jù)最新一期《自然·通訊》雜志報(bào)道,德國著名物理學(xué)家奧利弗·施密特教授領(lǐng)導(dǎo)的國際團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出迄今為止最小的生物超級電容器,這種生物相容性儲能系統(tǒng)為下一代生物醫(yī)學(xué)的血管內(nèi)植入物和微型機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用開辟了可能性。

微電子傳感器、微電子機(jī)器人或血管內(nèi)植入物的小型化正在迅速推進(jìn)。但此前已有的亞毫米范圍內(nèi)的能量存儲設(shè)備,即所謂的“微型超級電容器”,由于腐蝕性的電解質(zhì)存在泄漏的風(fēng)險(xiǎn),不適合人體內(nèi)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。因此,開發(fā)微型、高效,并且具有生物相容性的能量存儲設(shè)備,用來驅(qū)動微型系統(tǒng)在人體內(nèi)可靠運(yùn)行,成為該研究領(lǐng)域最大的挑戰(zhàn)之一。

德累斯頓萊布尼茲固態(tài)和材料研究所施密特教授領(lǐng)導(dǎo)的國際團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)首個滿足上述特性的生物超級電容器。該能量存儲設(shè)備體積僅為0.001立方毫米,為此前最小能源存儲設(shè)備的1/3000。但它仍然能夠?yàn)檠褐械奈㈦娮觽鞲衅魈峁└哌_(dá)1.6V的電源電壓。此外,它還具有完全生物相容性,可用于人體醫(yī)學(xué)研究,并且可以通過生物電化學(xué)反應(yīng)補(bǔ)償自放電行為。

該研究及樣品制備主要在開姆尼茨工業(yè)大學(xué)納米膜材料、結(jié)構(gòu)和集成中心進(jìn)行。德累斯頓萊布尼茨聚合物研究所也參與了這項(xiàng)研究??茖W(xué)家們利用折紙技術(shù),將生物超級電容器組件所需的材料置于晶圓表面上的高機(jī)械張力下,隨后以受控方式將材料層從表面分離,通過張力能量的釋放,材料層會纏繞成緊湊的3D組件,并實(shí)現(xiàn)高精度和高成品率(95%)。

實(shí)驗(yàn)表明,生物超級電容器在血液中顯示出優(yōu)異的使用壽命,16小時(shí)后仍能保持初始容量的70%。它還可以從人體自身的反應(yīng)中受益,天然存在于血液中的氧化還原酶和活細(xì)胞能將組件的性能提高40%。此外,科學(xué)家們還利用微流體通道模擬各種尺寸的血管,測試了生物超級電容器在各種流量和壓力條件下的行為,結(jié)果表明其可以在生理相關(guān)條件下良好且穩(wěn)定地工作。

為了驗(yàn)證生物超級電容器的實(shí)際工作性能,研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個完全集成的超緊湊型能量存儲和傳感器系統(tǒng),實(shí)時(shí)記錄血液中的pH值以幫助預(yù)測早期腫瘤??茖W(xué)家們將pH敏感的生物超級電容器集成到環(huán)形振蕩器中,以便根據(jù)電解質(zhì)的pH值改變輸出頻率。通過“瑞士卷”折紙技術(shù)形成管狀3D幾何形狀,3個與傳感器串聯(lián)的生物超級電容器實(shí)現(xiàn)了特別高效和自給自足的pH測量。

施密特說,這種儲能系統(tǒng)為下一代生物醫(yī)學(xué)的血管內(nèi)植入物和微型機(jī)器人系統(tǒng)在人體小空間中的運(yùn)行開辟了可能性。

總編輯圈點(diǎn)

在諸如血管這樣的窄小區(qū)域內(nèi),微型機(jī)器人系統(tǒng)或儲能設(shè)備的一個必要條件,就是生物兼容——只有安全可靠,才能真正走入實(shí)用。本文中的研究成果一舉實(shí)現(xiàn)了三大突破:其一,占用空間比一?;覊m還要??;其二,功率水平堪比AAA電池;其三,足夠的生物兼容性和有效的自我保護(hù),能防止由脈動血液或肌肉收縮引起的變形。這意味著,該技術(shù)將在醫(yī)療領(lǐng)域擁有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用前景,包括疾病診斷、藥物遞送,甚至幫助人們發(fā)現(xiàn)早期癌癥。

原標(biāo)題:迄今最小生物超級電容器研發(fā)成功 
 
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來源:科技日報(bào)
 
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