„Dzisiejsza medycyna korzysta z różnych urządzeń „usprawniających” funkcje naszego organizmu. Pośród dziś stosowanych wymienić można rozruszniki serca czy aparaty słuchowe. W przyszłości mogą powstać soczewki kontaktowe automatycznie zmieniające ogniskową lub kontrolowane komputerowo wyświetlacze generujące obraz bezpośrednio na siatkówce oka”. – mówi przedstawiciel instytutu.

„Jednak żadne z urządzeń stosowanych dziś, czy w przyszłości nie może dobrze działać jeśli nie zostanie wyposażone w efektywne, długo działające źródło zasilania. Najlepszym rozwiązaniem byłoby zastosowanie zminiaturyzowanych bioogniw paliwowych, które do zasilania wykorzystywałyby substancje naturalnie występujące w organizmie ludzkim lub w jego najbliższym otoczeniu.” – dodaje przedstawiciel instytutu.

Naukowcy z IChF PAN w Warszawie skonstruowali nową efektywną elektrodę, która może być wykorzystywana do konstrukcji bioogniw paliwowych lub do cynkowo-tlenowych.

Po umieszczeniu w biobaterii, nowa biokatoda generuje napięcie przez wiele godzin, które jest znacznie wyższe niż - napięcie generowane przez baterie o podobnej konstrukcji. Co jest najciekawsze biokatoda „oddycha tlenem” pobieranym bezpośrednio z powietrza.

Powszechnie używane baterie są mało odpowiednie do zasilania implantów znajdujących się wewnątrz ludzkiego ciała ponieważ wykorzystują mocne kwasy lub zasady, które nie powinny dostać się do ludzkiego organizmu. W związku z czym obudowa akumulatora musi być bardzo szczelna. W ekstremalnych przypadkach, obudowa ogniwa może być większa niż aktywne elementy baterii generujące napięcie. Tymczasem nowe bioogniwa posiadają znaczącą przewagę i nie potrzebują obudowy.

"Jednym z najbardziej popularnych eksperymentów w elektrochemii jest „robienie baterii” z ziemniaka poprzez umieszczenie w nim odpowiednio dobranych elektrod. My robimy coś podobnego przy czym skupiamy się na ulepszaniu ogniwa paliwowego i samej katody i oczywiście, aby cały projekt funkcjonował prawidłowo, wolelibyśmy zastąpić ziemniaka… człowiekiem” – dr Martin Jönsson-Niedziółka (IChF  PAN  Warszawa)

W eksperymencie grupa dr Jönsson-Niedziółka wykorzystała cynkowo-tlenowe baterie. Przy czym zasada ich działania nie jest nowa. Baterie konstruowane w ten sposób używane były na długo przed erą baterii alkalicznych. Głównym składnikiem biokatody skonstruowanej w IChF  jest enzym otoczony nanorurkami węglowymi, zamknięty w porowatej matrycy polikrzemianowej, osadzonej na membranie przepuszczalnej dla tlenu. Tak skonstruowana bateria jest następnie instalowana na ściance małej obudowy. W celu uruchomienia ogniwa paliwowego wystarczy wlać elektrolit (roztwór zawierający jony H+) i umieścić w nim cynkową elektrodę.

Pory znajdujące się  w matrycy polikrzemianowej umożliwiają transport tlenu z powietrza oraz jonów H+ z roztworu do centrów aktywnych enzymu, gdzie dochodzi do redukcji tlenu. Nanorurki węglowe ułatwiają transport elektronów z powierzchni silikatu elektrody do cetrum aktywnego enzymu. Ogniwo z biokatodą jest zdolne do wytwarzania prądu przy napięciu 1,6 V przez minimum półtora tygodnia. Efektywność ogniwa spada z czasem ponieważ jest limitowana dezaktywacją enzymu na biokatodzie

Dotychczasowo w eksperymentach udało się czterema biobateriami połaczonymi szeregowo zasilić lampkę zbudowaną z dwóch diod. Zanim bioogniwa paliwowe skonstruowane w IChF PAN zostaną spopularyzowane, naukowcy muszą rozwiązać problem relatywnie niskiej mocy elektrycznej, co jest niestety charakterystyczne dla wszystkich bioogniw.

Badania prowadzone przez naukowców IChF PAN są istotne nie tylko ze względu na miniaturyzację źródeł zasilania stosowanych w implantach medycznych czy biosensorach. Procesy odpowiedzialne za generowanie energii elektrycznej w bioogniwach mogą być również stosowane do generowania energii na większą skalę.

Prof. dr hab. Marcin Opałło z IChF PAN zapytany o przyszłe plany dotyczące zastosowania bioogniw dodaje: „Innym możliwym zastosowaniem bioogniw jest ich wykorzystanie jako samonapędzających się czujników. Dalsze badania prowadzone w  naszym Instytucie podążają, zatem obecnie w tym kierunku”.

Czynnikiem limitującym żywotność bioogniw są jednak właściwości wykorzystywanego enzymu, w związku z czym przyszły rozwój bioogniw w dużej mierze zależy od rozwoju biotechnologii. Punktem zwrotnym byłoby zapewne odkrycia skutecznego sposobu regeneracji enzymu.

Anita Kunikowska

Żródło:

http://www.biofueldaily.com/reports/Biobatteries_catch_breath_999.html