Elektrody pokryte nanocząstkami mogą stać się nowymi źródłami prądu

Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie pracują nad elektrodami o powierzchniach pokrytych warstwami nanocząstek węgla i enzymami. Elektrody te będzie można wykorzystać do produkcji nowoczesnych czujników i źródeł prądu, w tym tak futurystycznych jak bioogniwa paliwowe, instalowane wewnątrz ludzkiego ciała i zasilane substancjami zawartymi we krwi – informuje Instytut Chemii Fizycznej PAN.



Obecnie wymiana zasilania w urządzeniach umieszczanych w ludzkim ciele, takich jak rozruszniki serca, wymaga metod inwazyjnych.

Na świecie od kilku lat trwają prace nad zbudowaniem ogniwa, dla którego paliwem byłaby substancja rozpuszczona we krwi, na przykład glukoza, zaś utleniaczem – także znajdujący się we krwi tlen. Jak informuje IChF Pan w przesłanej do prasy informacji, zadanie jest trudne, ponieważ wymaga znalezienia podłoża pozwalającego na trwałe osadzenie enzymu i to w taki sposób, aby wymieniał elektrony bezpośrednio z elektrodą.

Efekt ten udało się uzyskać w IChF PAN dzięki naniesieniu na elektrodę nanocząstek węgla. „Wynik jest zaskakujący, bo zazwyczaj enzym do przenoszenia elektronu potrzebuje dodatkowych rozpuszczonych w roztworze cząsteczek – przenośników elektronu. Tych cząsteczek w naszych eksperymentach po prostu nie ma” – mówi Katarzyna Szot, doktorantka z IChF PAN. Co szczególnie istotne, badane elektrody pracują w roztworach o składzie zbliżonym do osocza krwi.

„Od dawna wiadomo, że wiele reakcji elektrodowych przebiega szybciej, wydajniej i selektywniej na powierzchniach pokrytych nanocząstkami, na przykład złota lub węgla. Postanowiliśmy więc skonstruować struktury składające się z samych warstw nanocząstek i zbadać, jak wpływają one na własności elektrod po ich dalszej modyfikacji enzymami” – mówi prof. dr hab. Marcin Opałło z IChF PAN.

Jednym z najpopularniejszych sposobów nanoszenia nanocząstek na powierzchnie jest znana od 1997 roku metoda „warstwa po warstwie” (Layer-by-Layer, LbL). Polega ona na nakładaniu na podłoże kolejnych warstw naładowanych elektrycznie cząsteczek lub cząstek o przeciwnym znaku. Metodę tę stosuje się m.in. do wytwarzania na powierzchni elektrod trójwymiarowych struktur zbudowanych z samych polimerów lub z naprzemiennych warstw polimerów i nanocząstek.

Nanocząstki węgla używane w eksperymentach prowadzonych w IChF PAN mają rozmiary poniżej 10 nanometrów. W kontekście przyszłych zastosowań ważny jest fakt, że są one tanie i łatwo dostępne. „Początkowo nanocząstki chcieliśmy po prostu kupić, ale okazało się, że tak małymi ilościami jak nam potrzebne po prostu się nie handluje. Mercedes na przykład stosuje te nanocząstki na masową skalę do malowania karoserii.” – mówi prof. Opałło. Naukowcom udało się dostać od jednej z firm kilogram materiału za darmo.

Jak informuje IChF PAN, sam proces pokrywania podłoża – w doświadczeniach są nim szklane płytki powleczone warstwą przewodzącą prąd – jest prosty i szybki. Płytkę zanurza się na minutę w zawiesinie nanocząstek węgla, następnie wyjmuje, opłukuje, przenosi do drugiej zawiesiny w celu osadzenia kolejnej warstwy, po czym wszystkie czynności powtarza się kilka razy. Grubość gotowych warstw węglowych sięga nieco ponad 100 nanometrów. Polscy naukowcy uważają, że elektrody nie są jeszcze tak wydajne, jak mogłyby być. W przyszłości prawdopodobnie uda się poprawić ich właściwości dzięki zmodyfikowaniu procesu nanoszenia warstw. IChF PAN pracuje już nad usprawnieniami tego systemu.

Oprócz zasilania bioogniw, elektrody z warstwami nanocząstek węgla mogą mieć zastosowanie w czujnikach elektrochemicznych, np. do oznaczania poziomu dopaminy wobec kwasu askorbinowego i kwasu moczowego. Jak tłumaczy IChF PAN, w chemii analitycznej problem ten uchodzi za poważny, ponieważ dwie ostatnie substancje utrudniają analizę próbek ze względu na nakładanie się ich sygnałów elektrochemicznych. Pokrycie elektrod nanocząstkami pozwoliłoby na rozdzielenie sygnałów i zwiększenie czułości sensorów.
 
Oprócz warstw nanocząstek węglowych, naukowcy z zespołu prof. Opałło w podobny sposób tworzą na powierzchniach elektrod trójwymiarowe struktury z nanocząstek metali i tlenków metali, nanorurek węglowych i nanocząstek z modyfikowanego szkła.

PAP – Nauka w Polsce