Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk skonstruowali oddychającą biobaterię. 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.
Tego typu źródło prądu może być w przyszłości z powodzeniem wykorzystane do zasilania urządzeń, wspomagających funkcjonowanie ciała, takich jak rozruszniki serca, aparaty słuchowe, czy przyszłe protezy wzroku. Takie urządzenia wymagają wydajnego i trwałego zasilania. Mogą je zapewnić 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, które pod żadnym pozorem nie mogą dostać się do organizmu. Tworzenie obudowy baterii, która zagwarantuje całkowitą szczelność jest poważnym problemem, który można ominąć, wykorzystując bioogniwa paliwowe, które obudowy nie wymagają. 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. Budowane z nich baterie były popularne zanim nastała era źródeł alkalicznych. Obecnie w wielu laboratoriach prowadzi się badania nad bioogniwami glukozowo-tlenowymi. W najlepszym przypadku wytwarzają one napięcie 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).
Głównym elementem biokatody opracowanej w IChF PAN jest enzym otoczony nanorurkami węglowymi i zamknięty w porowatej strukturze - matrycy polikrzemianowej osadzonej na membranie przepuszczającej tlen. 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. Naukowcy IChF PAN przyznają jednak, że zanim bioogniwa tego typu zostaną upowszechnione, trzeba jeszcze rozwiązać problem stosunkowo małej mocy prądu, charakterystyczny dla wszystkich typów bioogniw.
Na podstawie informacji prasowej IChF PAN.