A por méretű szuperkondenzátor feszültsége

Az érzékelőtechnológia, a robotok és az intravaszkuláris implantátumok miniatürizálása rohamosan halad előre. Ez azonban komoly kihívásokat is jelent a kutatás számára. Az egyik legnagyobb az apró, de energiatakarékos tárolóeszközök kifejlesztése. Ezekre azért van szükség, hogy egyre kisebb léptékben, autonóm módon működő mikrorendszerek működését tegyék lehetővé. Ráadásul ezeknek az energiatároló eszközöknek biokompatibilisnek kell lenniük, ha egyáltalán a szervezetben akarják őket használni.

A szubmilliméteres tartományba eső eszközök - az úgynevezett "nanoszuperkondenzátorok" - lehetővé teszik az elektronikus alkatrészek apró méretűre zsugorítását. Ezek előállítása azonban nehézkes, és általában nem tartalmaznak biokompatibilis anyagokat. A korrozív elektrolitok például hibák és szennyeződések esetén gyorsan lemerülhetnek. Az úgynevezett "bioszuperkondenzátorok" (BSC) megoldást kínálnak.

Ezek két kiemelkedő tulajdonsággal rendelkeznek: teljes biokompatibilitás, ami azt jelenti, hogy testnedvekben, például vérben is használhatók, valamint az önkisülési viselkedés kompenzálása bioelektrokémiai reakciók révén. Más szóval, a test saját reakcióiból is profitálhatnak. Ennek oka, hogy a szuperkondenzátorokra jellemző töltéstárolási reakciók mellett a redox enzimatikus reakciók és a vérben természetesen jelen lévő élő sejtek 40%-kal növelhetik az eszköz teljesítményét.

Ezen eszközök szubmilliméteres méretre való zsugorítása a teljes biokompatibilitás fenntartása mellett óriási kihívást jelentett. A tudósok most olyan prototípust hoztak létre, amely egyesíti mindkét alapvető tulajdonságot. Eddig a legkisebb ilyen energiatároló eszközök legalább 3 mm³-esek voltak. Az Oliver Schmidt, a németországi Chemnitzi Egyetem nanoelektronikai anyagrendszerek professzora által vezetett csapat azonban sikeresen megépített egy mindössze 0,001 mm³ (1 nanoliter) méretű "nano-bioszuperkondenzátort" (nBSC). Ez 3000-szer kisebb, mint a korábbi kísérletek, és térfogata egy porszemhez hasonlítható.

Mégis akár 1,6 V-os tápfeszültséget biztosít a mikroelektronikai érzékelők számára. Az új tárolóeszköz olyan intravaszkuláris implantátumok és mikrorobotikai rendszerek lehetőségét nyitja meg a következő generációs biomedicina számára, amelyek az emberi test mélyén lévő kis vagy nehezen hozzáférhető helyeken működhetnek. Ezek az nBSC-k lehetővé tennék a vér pH-értékének valós idejű kimutatását, és segíthetnének például a korai daganatnövekedés előrejelzésében.

A kutatócsoport az nBSC teljesítményét úgynevezett mikrofluidikai csatornákban - a szélcsatornához hasonlóan - vizsgálta, amelyek átmérője 120-150 µm (0,12-0,15 mm) volt, hogy különböző méretű vérereket utánozzanak. Ezekben a csatornákban szimulálták és tesztelték energiatároló eszközeik viselkedését különböző áramlási és nyomásviszonyok mellett. Megállapították, hogy a nano-bioszuperkondenzátorok jól és stabilan szolgáltattak energiát fiziológiailag releváns körülmények között.

"A nano-bioszuperkondenzátor csőszerű geometriája hatékony önvédelmet biztosít a pulzáló vérből vagy izomösszehúzódásból származó külső erőkkel szemben" - írják a tanulmány szerzői. A kutatók ezután kifejlesztettek egy pH-érzékelőt, amelyet a nano-bioszuperkondenzátor lát el energiával. Az 5 µm-es vékonyfilm-tranzisztor (TFT) technológiát használták egy kivételes mechanikai rugalmassággal rendelkező gyűrűs oszcillátor létrehozásához, amelynek kimeneti frekvenciája az elektrolit pH-értékétől függően apró mértékben változik.

Ez a teljesen integrált és ultrakompakt energiatároló és érzékelő rendszer pontos és hatékony vér pH-mérést biztosított. "Rendkívül bátorító látni, hogy az új, rendkívül rugalmas és adaptív mikroelektronika hogyan jut el a biológiai rendszerek miniatürizált világába" - mondta Schmidt professzor. Dr. Vineeth Kumar társszerző szintén így nyilatkozott: "A nano-bioszuperkondenzátoraink felépítése az első lehetséges megoldást kínálja az egyik legnagyobb kihívásra - az apró integrált energiatároló eszközökre, amelyek lehetővé teszik a többfunkciós mikrorendszerek önellátó működését".