Идею гидрогелевой батареи позаимствовали у электрического угря
Источники питания для устройств, которые работают в биологических тканях или рядом с ними, должны быть гибкими и нетоксичными, но при этом достаточно мощными. В поиске решений для этой непростой задачи инженерам помогла сама природа.
В Университете штата Пенсильвания разработали гидрогелевую батарею, которая имитирует ионные процессы, используемые угрями для генерации электрических разрядов. Этот подход позволил добиться большей плотности мощности, чем у других гидрогелевых аналогов, сохранив при этом гибкость, устойчивость к условиям окружающей среды и биосовместимость.
«Электроциты электрического угря — это ультратонкие биологические клетки, способные генерировать более 600 вольт электричества коротким импульсом. Они обеспечивают очень высокую плотность мощности, то есть способны производить много энергии при малом объеме», — говорит автор-корреспондент статьи Джозеф Найем с кафедры машиностроения.
Исследователи собрали свои источники питания исключительно из гидрогеля, чтобы обеспечить их нетоксичность и гибкость даже при увеличении мощности.
«Для биомедицинских и близких к биологии применений мы должны убедиться, что батареи совместимы со своим окружением, гибки, безопасны и, в идеале, способны использовать доступные ресурсы для подзарядки. Это побудило нас разработать мощные источники питания на основе гидрогеля, которые будут эффективно работать в биологических средах», — объясняет Найем.
Тоньше волоса
Используя технику спин-коатинга (нанесения ультратонких слоев материала на вращающуюся поверхность), сделали четыре различных гидрогелевых состава толщиной всего 20 микрометров каждый — тоньше человеческого волоса. Такая тонкая структура снижает внутреннее сопротивление, что необходимо для высокой мощности, сохраняя при этом механическую прочность и гибкость.
Чтобы сделать гидрогель тоньше, пришлось скорректировать химический состав. Протестировали несколько вариантов, прежде чем нашли оптимальный, рассказывает соавтор статьи Ли Вонбэ с кафедры материаловедения и инженерии.
«Нам нужно было подобрать такой состав, чтобы гидрогель равномерно распределялся при спин-нанесении, сохранял механическую стабильность и был достаточно тонким для низкого электрического сопротивления. Обычные составы просто слетали бы с вращающейся поверхности. Залогом успеха стала оптимизация вязкости и механической прочности гидрогеля», — подчеркивает он.
Собрали и испытали работоспособный прототип. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Science.
Неплохие результаты
Новые источники питания показали плотность мощности около 44 кВт/м³ — большую, чем у прежних гидрогелевых аналогов, и достаточную для эффективного питания таких устройств, как имплантируемые медицинские датчики, контроллеры мягкой робототехники и носимые гаджеты.
«Кроме того, эта оптимизация материала позволяет работать в экстремальных условиях. Благодаря добавлению глицерина гидрогелевые источники питания остаются работоспособными при температурах до −80 °C, не замерзая», — добавляет Ли.
Материал также удерживает воду дольше, чем обычные гидрогели. Новая формула сохраняет гидратацию в течение нескольких дней на воздухе.
«Мы не знаем других гидрогелевых технологий, которые могли бы достичь такой плотности мощности, оставаясь гибкими и устойчивыми к окружающей среде», — заключил Найем.
