Кардиогенератор: Энергия жизни
Нанопровода из оксида цинка, демонстрирующие пьезоэлектрический эффект, способны преобразовывать механические воздействия в электроэнергию. Исследователи из Georgia Tech продемонстрировали первые образцы таких материалов в 2005 году. С тех пор был создан ряд устройств, использующих данную технологию. Преобразование механической энергии в электрическую открывает простор для фантазии разработчиков, и они не преминули использовать энергию бегущего хомяка и нетерпеливого постукивания пальцами, а также объединить пьезоэлектрические нанопровода с солнечными батареями.
В своей недавней работе, результаты которой опубликованы в журнале Advanced Materials, команда профессора Чжун Линь Вана (Zhong Lin Wang) продемонстрировала работу наногенератора in vivo — в организме живой крысы. Нанопровода были размещены на гибкой полимерной подложке и заключены в герметичную оболочку, чтобы предотвратить их контакт с физиологическими жидкостями, а затем закреплены на диафрагме крысы.
Дыхание грызуна натягивало нанопровода, которые генерировали ток величиной 4 пА при напряжении 2 мВ. Такое же устройство, подсоединенное к сердцу крысы, обеспечило ток 30 пА с напряжением 3 мВ.
Наногенераторы на основе оксида цинка могли бы стать идеальным источником электроэнергии для крошечных датчиков, контролирующих уровень сахара в крови или кровяное давление. Такие сенсоры могут работать с низким уровнем мощности порядка 1 мкВт, но им требуется продолжительно работающий источник питания вместо аккумулятора, чтобы стать по-настоящему миниатюрными. Ученые поставили перед собой цель создать наномасштабные медицинские приборы с полностью автономным питанием.
Фемтоваттные (10−15 Ватт) мощности являются недостаточными для того, чтобы использовать их на практике. Но ситуация должна измениться в ближайшее время, считают разработчики. Хотя они протестировали in vivo устройство на базе единственного нанопровода, они также создали массив, объединяющий сотни таких проводов. Это устройство способно снабжать электроэнергией устройство мощностью около 0,12 мкВт. Следующим шагом будет подключение такого генератора к действующему датчику в организме животного.
Помимо оксида цинка, существуют и другие пьезоэлектрические материалы, использование которых также возможно в биомедицине. Например, соединение свинца, циркония и титана, известное как PZT, о котором мы писали в заметке «Дыхание дает энергию». PZT более эффективен с точки зрения производства энергии, но оксид цинка имеет такое преимущество, как биосовместимость. Наногенераторы на основе PZT еще не тестировались на животных, но такие устройства нужно будет надежно изолировать в силиконовой или другой биосовместимой оболочке.
По сообщению Technology Review