Oddychające biobaterie nowym źródłem zasilania

fot. IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski

Oddychającą biobaterię skonstruowali naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk. Głównym elementem nowego źródła zasilania, odpowiedzialnym za stosunkowo wysokie napięcie i trwałość, jest pobierająca tlen z powietrza katoda o starannie zaprojektowanej konstrukcji, zbudowana z enzymu, nanorurek węglowych i polikrzemianu.

Człowiek coraz częściej korzysta z urządzeń wspomagających funkcjonowanie ciała. Dziś są to rozruszniki serca czy aparaty słuchowe,  jutro będą to soczewki kontaktowe o automatycznie zmieniającej się  ogniskowej lub wyświetlacze komputerowe generujące obraz bezpośrednio w  oku. Żadne z tych urządzeń nie będzie działało, jeśli nie zostanie wyposażone w wydajne i trwałe źródło zasilania. Najlepszym rozwiązaniem  wydają się miniaturowe bioogniwa paliwowe zużywające substancje  naturalnie występujące w ludzkim organizmie lub w jego bezpośrednim  otoczeniu.

W Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) w Warszawie opracowano wydajną elektrodę do budowy bioogniw lub biobaterii  tlenowo-cynkowych. Po umieszczeniu w ogniwie, nowa biokatoda przez wiele  godzin wytwarza napięcie wyższe od otrzymywanego w dotychczasowych  źródłach zasilania podobnej konstrukcji. Najciekawszy jest fakt, że  urządzenie oddycha: działa z pełną wydajnością wtedy, gdy może pobierać  tlen bezpośrednio z powietrza.

Zwykłe baterie i akumulatory nie nadają się do zasilania implantów w  ludzkim ciele. Do ich budowy są bowiem używane silne zasady lub kwasy.

Substancje te pod żadnym pozorem nie mogą dostać się do organizmu.

Obudowa baterii musi więc gwarantować całkowitą szczelność. Ale im  bardziej zmniejszamy baterię, tym lepiej musimy ją izolować. W skrajnych  przypadkach obudowa zwykłej, tyle że zminiaturyzowanej baterii musiałaby  mieć masę nawet kilkadziesiąt razy większą od masy części aktywnej,  wytwarzającej prąd. Bioogniwa paliwowe mają tu istotną przewagę: nie wymagają obudowy. Aby otrzymać prąd, wystarczy wprowadzić do organizmu same elektrody.

 – Jednym z najpopularniejszych doświadczeń z elektrochemii jest zrobienie bateryjki z ziemniaka poprzez wetknięcie w niego odpowiednio dobranych elektrod. My robimy coś trochę podobnego, tyle że koncentrujemy się na bioogniwach i ulepszaniu katody. No i żeby całe przedsięwzięcie miało ręce i nogi, docelowo wolelibyśmy ziemniaka zastąpić... człowiekiem – mówi dr Martin Jönsson-Niedziółka (IChF PAN).

W doświadczeniach grupa dr. Jönssona-Niedziółki wykorzystuje ogniwa tlenowo-cynkowe. Zasada ich działania nie jest nowa. Baterie zbudowane z ogniw tego typu były popularne zanim nastała era źródeł alkalicznych.

 – Obecnie w wielu laboratoriach prowadzi się badania nad bioogniwami  glukozowo-tlenowymi. W najlepszym przypadku wytwarzają one prąd o  napięciu 0,6-0,7 V. Bioogniwo cynkowo-tlenowe z naszą katodą może przez  wiele godzin generować 1,75 V – mówi doktorantka Adrianna Złoczewska (IChF PAN), której badania były finansowane w ramach programu MPD Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

Głównym elementem biokatody opracowanej w IChF PAN jest enzym otoczony nanorurkami węglowymi i zamknięty w porowatej strukturze – matrycy polikrzemianowej osadzonej na membranie przepuszczającej tlen.

 – Nad technikami niezbędnymi do wykonania katody z użyciem enzymów, nanorurek węglowych i matryc polikrzemianowych nasza grupa pracuje od wielu lat – podkreśla prof. dr hab. Marcin Opałło (IChF PAN).

Tak wykonana elektroda jest montowana we fragmencie ścianki małego  pojemnika. Aby bioogniwo zadziałało, do wnętrza pojemnika wystarczy wlać elektrolit (tu: roztwór zawierający jony wodoru) i wsunąć w niego cynkową anodę. Pory w matrycy polikrzemianowej zapewniają dopływ tlenu z  powietrza i jonów H+ z roztworu do centrów aktywnych enzymu, gdzie zachodzi redukcja tlenu. Nanorurki węglowe ułatwiają transport elektronów z powierzchni półprzepuszczalnej membrany.

Ogniwo z nową biokatodą może wytwarzać prąd o napięciu 1,6 V przez co  najmniej półtora tygodnia. Z czasem wydajność ogniwa spada, prawdopodobnie wskutek stopniowej dezaktywacji enzymu na biokatodzie.

 – Tu wszystko zależy już nie od nas, a od postępu w biotechnologii. Gdyby udało się opracować procesy regenerowania enzymu, czas działania ogniw z naszą biokatodą mógłby się znacznie wydłużyć – mówi dr Jönsson-Niedziółka.

W dotychczasowych eksperymentach cztery połączone szeregowo biobaterie, wyposażone w nową katodę, zasilały z powodzeniem dwudiodową lampkę.

Jednak zanim bioogniwa bazujące na konstrukcji opracowanej w IChF PAN  zostaną upowszechnione, naukowcy muszą rozwiązać problem stosunkowo małej mocy prądu, charakterystyczny dla wszystkich typów bioogniw.

Opisane badania mają znaczenie nie tylko z uwagi na miniaturyzację źródeł zasilania dla implantów medycznych, biosensorów czy świecących tatuaży. Procesy odpowiedzialne za generowanie prądu w bioogniwach potencjalnie nadają się do wykorzystania w produkcji energii elektrycznej w większej skali. Czynnikiem limitującym są tu jednak własności samych enzymów, dlatego dalszy postęp w tym zakresie w istotnej części zależy od rozwoju samej biotechnologii.

Źródło: IChF PAN