迄今最小生物超級電容器研發成功|總編輯圈點

2021-08-26 01:38:00 來源: 科技日報 作者: 李山

科技日報駐德國記者 李山

據最新一期《自然·通訊》雜志報道,德國著名物理學家奧利弗·施密特教授領導的國際團隊成功研發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為下一代生物醫學的血管內植入物和微型機器人系統的應用開辟了可能性。

微電子傳感器、微電子機器人或血管內植入物的小型化正在迅速推進。但此前已有的亞毫米范圍內的能量存儲設備,即所謂的“微型超級電容器”,由于腐蝕性的電解質存在泄漏的風險,不適合人體內的生物醫學應用。因此,開發微型、高效,并且具有生物相容性的能量存儲設備,用來驅動微型系統在人體內可靠運行,成為該研究領域最大的挑戰之一。

德累斯頓萊布尼茲固態和材料研究所施密特教授領導的國際團隊成功研發首個滿足上述特性的生物超級電容器。該能量存儲設備體積僅為0.001立方毫米,為此前最小能源存儲設備的1/3000。但它仍然能夠為血液中的微電子傳感器提供高達1.6V的電源電壓。此外,它還具有完全生物相容性,可用于人體醫學研究,并且可以通過生物電化學反應補償自放電行為。

該研究及樣品制備主要在開姆尼茨工業大學納米膜材料、結構和集成中心進行。德累斯頓萊布尼茨聚合物研究所也參與了這項研究。科學家們利用折紙技術,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,并實現高精度和高成品率(95%)。

實驗表明,生物超級電容器在血液中顯示出優異的使用壽命,16小時后仍能保持初始容量的70%。它還可以從人體自身的反應中受益,天然存在于血液中的氧化還原酶和活細胞能將組件的性能提高40%。此外,科學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,結果表明其可以在生理相關條件下良好且穩定地工作。

為了驗證生物超級電容器的實際工作性能,研究團隊創建了一個完全集成的超緊湊型能量存儲和傳感器系統,實時記錄血液中的pH值以幫助預測早期腫瘤。科學家們將pH敏感的生物超級電容器集成到環形振蕩器中,以便根據電解質的pH值改變輸出頻率。通過“瑞士卷”折紙技術形成管狀3D幾何形狀,3個與傳感器串聯的生物超級電容器實現了特別高效和自給自足的pH測量。

施密特說,這種儲能系統為下一代生物醫學的血管內植入物和微型機器人系統在人體小空間中的運行開辟了可能性。

總編輯圈點

在諸如血管這樣的窄小區域內,微型機器人系統或儲能設備的一個必要條件,就是生物兼容——只有安全可靠,才能真正走入實用。本文中的研究成果一舉實現了三大突破:其一,占用空間比一粒灰塵還要小;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,能防止由脈動血液或肌肉收縮引起的變形。這意味著,該技術將在醫療領域擁有相當廣泛的應用前景,包括疾病診斷、藥物遞送,甚至幫助人們發現早期癌癥。

責任編輯: 左常睿
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