Электрический угорь подсказал конструкцию биосовместимой гибкой батарейки
T. B. H. Schroeder et al./ Nature, 2017
Химики и инженеры, опираясь на «конструкцию» электрогенерирующих органов электрического угря, создали гибкую биосовместимую батарею, которую можно будет использовать для моторизованных имплантатов и носимой электроники, говорится в статье, опубликованной в Nature.
Источники питания для устройств, имплантируемых внутрь живых организмов, должны быть гибкими, химически устойчивыми, нетоксичными и не вызывать реакций отторжения. Хотя гибкие и прозрачные батареи уже предлагались (как химических источников тока, так и солнечных элементов), но они не являются биосовместимыми. Зато нужными источниками тока обладают некоторые рыбы, которые используют электрические органы для ориентирования в пространстве, обороны, охоты и общения. Два вида рыб (электрический угорь и электрический скат) даже могут создавать электрический разряд напряжением в несколько сот вольт, способный парализовать человека или крупное животное.
Группа химиков из США и Швейцарии под руководством Томаса Шредера (Thomas Schroeder) из Мичиганского университета решила создать биосовместимую гибкую батарею, по своей структуре аналогичную электрическому органу одной из таких рыб — электрического угря (Electrophorus electricus).
Структура кожи электрического угря
T. B. H. Schroeder et al./ Nature, 2017
Электрический орган угря представляет собой многослойную подкожную структуру, состоящую из массива параллельных клеток (электроцитов), каждая из которых с помощью системы натрий-калиевых АТФаз создает градиент концентрации ионов, что порождает на мембране напряжение величиной до 150 милливольт. Кожа с такими клетками покрывает примерно 80 процентов тела угря, поэтому если одновременно активизировать все ионные насосы, то можно создать напряжение более 600 вольт.
В качестве аналога такой системы химики предложили использовать массив из частиц анион- и катионселективных мембран из гидрогеля, способных за счет избирательной пропускаемости ионов создавать градиент их концентрации. Вся система состояла из частиц гидрогеля четырех видов, каждый из которых имел аналог в электрической структуре кожи угря: два из элементов выполняли функции мембраны, а два других — функцию межклеточного вещества. Из нескольких тысяч таких элементов исследователи собирали цепочку, в которой можно создать напряжение в несколько десятков вольт. В предложенной методике эту цепочку получали, совмещая две плоских пленки, на каждую из которых наносились по два типа элементов. С помощью собранного таким образом массива из 2449 элементов ученым удалось получить разряд в 110 вольт.
Внешний вид двух слоев гелевой батареи. Длина масштабной линейки соответствует одному сантиметру
T. B. H. Schroeder et al./ Nature, 2017
Электрическая цепь, собранная из отдельных гелевых элементов. Длина масштабной линейки соответствует одному сантиметру
T. B. H. Schroeder et al./ Nature, 2017
Кроме плоских однослойных массивов, авторы работы предложили альтернативный способ соединения элементов, при котором они соединяются не последовательно на плоском слое, а собираются в столбики. Для этого исследователи предложили схему складывания пленки, наподобие оригами, которая тоже позволяют получить замкнутую цепочку нужной конфигурации. В результате такого складывания можно получить значительно более компактную систему.
Схема складывания гелевой батареи в многослойную структуру
T. B. H. Schroeder et al./ Nature, 2017
Авторы надеются, что если на основе предложенных механизмов удастся создать стабильно работающее устройство, то уже в ближайшем будущем оно может стать элементом питания для моторизованных имплантатов, носимой электроники и других мобильных устройств.
Несмотря на то, что с помощью электрического разряда угорь способен парализовать человека, некоторые ученые для определения параметров возникающей при ударе электрической цепи не боятся проводить опыты на себе. При этом электрический разряд угорь использует не для атаки, а в качестве метода агрессивной защиты от потенциально опасного животного.
Александр Дубов
