211service.com
Generer kraft fra et hjerte
En lillebitte, næsten usynlig nanotråd kan omdanne energien fra pulserende, bøjelige muskler inde i en rottes krop til elektrisk strøm, har forskere ved Georgia Institute of Technology vist. Deres nanogenerator kan en dag føre til medicinske implantater og sensorer drevet af hjerteslag eller vejrtrækning.
Strømførende ledninger: En enkelt zinkoxid-nanotråd kan fastgøres til en rottes hjerte, hvor den producerer elektrisk strøm, når den bøjes for hvert slag.
Zinkoxid nanotråde viser den piezoelektriske effekt, der producerer elektricitet, når de er under mekanisk stress. Georgia Tech professor i materialevidenskab og teknik Zhong Lin Wang og hans gruppe demonstrerede først disse nanotrådsgeneratorer i 2005. Siden da har de lavet enheder, der kan udnytte energien fra en løbende hamster og bankende fingre, og har også kombineret deres piezoelektriske nanotråde med solceller.
I deres seneste arbejde, offentliggjort i tidsskriftet Avancerede materialer , Wangs hold viser, at nanogeneratoren virker inde i et levende dyr. Forskerne deponerede en zinkoxidnanowire på et fleksibelt polymersubstrat og indkapslede enheden i et polymerhus for at beskytte det mod kropsvæsker. Det blev derefter fastgjort til en rottes mellemgulv. Gnaverens vejrtrækning strakte nanotråden, og enheden genererede fire picoampere strøm ved to millivolt. Når den var fastgjort til en rottes hjerte, gav enheden 30 picoampere ved tre millivolt.
Zinkoxid nanogeneratorer ville være en ideel strømkilde til sensorer i nanoskala, der overvåger blodtryk eller glukoseniveauer og opdager cancerbiomarkører. Disse kan køre på lave strømniveauer på omkring en mikrowatt, men de har brug for en langtidsholdbar strømkilde i nanostørrelse i stedet for et batteri for at være virkelig nanoskala. Vores ultimative mål er at lave selvdrevne nano-enheder til medicinske applikationer, siger Wang.
Femtowatt-skalaen for strøm genereret af enhederne er alt for lav til at være praktisk lige nu (effekt = strøm x spænding). Men det skulle snart ændre sig, siger Zhang. Mens forskerne kun har testet en enkelt nanotrådenhed inde i en rotte, har de også bygget en enhed, der integrerer hundredvis af nanotråde i et array. Denne enhed, som forskerne for nylig rapporterede i tidsskriftet Natur nanoteknologi, giver en udgangsstrøm på omkring 100 nanoampere ved 1,2 volt, hvilket producerer 0,12 mikrowatt effekt. Wang siger, at det næste trin er at forbinde denne højere-output nanogenerator til en nanosensor inde i et dyr.
Bedre piezoelektriske materialer end zinkoxid-nanotråde findes og overvejes også til biomedicinske anvendelser. Det mest effektive piezoelektriske materiale kendt er PZT, en forbindelse af bly, zirconium og titanium. Det er 10 gange mere effektivt end zinkoxid til at omdanne mekanisk stress til elektrisk strøm, siger Michael McAlpine , professor i maskinteknik ved Princeton University. Ved at klemme PZT mellem silikonestykker har han lavet et materiale, der kan høste 80 procent af den energi, der tilføres, når det bøjes. Ligesom Wang fokuserer han på at bruge materialet til at drive medicinske implantater.
McAlpine siger, at materialet giver 10 nanowatt strøm fra menneskelig fingertapping. Større ark kunne generere nok strøm til at oplade en pacemaker, men materialet er endnu ikke testet på dyr. Her kan zinkoxid have en fordel i forhold til PZT, fordi det er biokompatibelt. Blyet i PZT ville kræve, at enheden er robust indkapslet i silikone eller en anden biokompatibel polymer.
Den største udfordring for begge materialer vil dog være at få højere effekt, siger McAlpine. Det er fantastisk, at de kunne implantere disse enheder i disse dyr og få strøm ud, siger han. Men vi skal stadig nå langt med vores enheder for at få en meningsfuld effekt.