211service.com
Generera kraft från ett hjärta
En liten, nästan osynlig nanotråd kan omvandla energin från pulserande, böjande muskler inuti en råttas kropp till elektrisk ström, har forskare vid Georgia Institute of Technology visat. Deras nanogenerator kan en dag leda till medicinska implantat och sensorer som drivs av hjärtslag eller andning.
Strömförande ledning: En enkel nanotråd av zinkoxid kan fästas på en råttas hjärta, där den producerar elektrisk ström när den böjs för varje slag.
Zinkoxid nanotrådar visar den piezoelektriska effekten och producerar elektricitet när de är under mekanisk påfrestning. Georgia Tech professor i materialvetenskap och teknik Zhong Lin Wang och hans grupp demonstrerade dessa nanotrådsgeneratorer för första gången 2005. Sedan dess har de tillverkat enheter som kan utnyttja energin från en springande hamster och knacka på fingrar, och har även kombinerat sina piezoelektriska nanotrådar med solceller.
I deras senaste arbete, publicerat i tidskriften Avancerade material , Wangs team visar att nanogeneratorn fungerar inuti ett levande djur. Forskarna deponerade en nanotråd av zinkoxid på ett flexibelt polymersubstrat och kapslade in enheten i ett polymerhölje för att skydda den från kroppsvätskor. Den fästes sedan på en råts diafragma. Gnagarens andning sträckte ut nanotråden och enheten genererade fyra pikoampere ström vid två millivolt. När den var fäst vid en råts hjärta gav enheten 30 pikoampere vid tre millivolt.
Zinkoxidnanogeneratorer skulle vara en idealisk strömkälla för sensorer i nanoskala som övervakar blodtryck eller glukosnivåer och upptäcker cancerbiomarkörer. Dessa kan köras på låga effektnivåer på cirka en mikrowatt, men de behöver en långvarig strömkälla i nanostorlek istället för ett batteri för att vara verkligt nanoskala. Vårt yttersta mål är att göra självdrivna nanoenheter för medicinska tillämpningar, säger Wang.
Femtowattskalan för effekt som genereras av enheterna är alldeles för låg för att vara praktisk just nu (effekt = ström x spänning). Men det borde ändras snart, säger Zhang. Medan forskarna bara har testat en enda nanotrådsenhet inuti en råtta, har de också byggt en enhet som integrerar hundratals nanotrådar i en array. Denna enhet, som forskarna nyligen rapporterade i tidskriften Naturen nanoteknik, ger en utström på cirka 100 nanoampere vid 1,2 volt, vilket ger 0,12 mikrowatt effekt. Wang säger att nästa steg är att ansluta denna nanogenerator med högre effekt till en nanosensor inuti ett djur.
Bättre piezoelektriska material än zinkoxidnanotrådar finns och övervägs även för biomedicinska tillämpningar. Det mest effektiva piezoelektriska materialet som är känt är PZT, en förening av bly, zirkonium och titan. Det är 10 gånger effektivare än zinkoxid för att omvandla mekanisk spänning till elektrisk ström, säger Michael McAlpine , professor i maskinteknik vid Princeton University. Genom att lägga PZT mellan silikonbitar har han gjort ett material som kan skörda 80 procent av energin som appliceras när det böjs. Liksom Wang fokuserar han på att använda materialet för att driva medicinska implantat.
McAlpine säger att materialet ger 10 nanowatt kraft från mänskliga fingerknackningar. Större ark skulle kunna generera tillräckligt med ström för att ladda en pacemaker, men materialet har inte testats på djur ännu. Här kan zinkoxid ha en fördel framför PZT eftersom det är biokompatibelt. Blyet i PZT skulle kräva att enheten är robust innesluten i silikon eller annan biokompatibel polymer.
Den största utmaningen för båda materialen blir dock att få högre effekt, säger McAlpine. Det är fantastiskt att de kunde implantera dessa enheter i dessa djur och få strömmen, säger han. Men vi måste fortfarande gå långt med våra enheter för att få en meningsfull effekt.