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Generare energia da un cuore
Un minuscolo nanofilo quasi invisibile può convertire l'energia dei muscoli pulsanti e flettenti all'interno del corpo di un topo in corrente elettrica, hanno dimostrato i ricercatori del Georgia Institute of Technology. Il loro nanogeneratore potrebbe un giorno portare a impianti medici e sensori alimentati dai battiti cardiaci o dalla respirazione.
Filo sotto tensione: Un singolo nanofilo di ossido di zinco può essere attaccato al cuore di un topo, dove produce corrente elettrica mentre si piega a ogni battito.
I nanofili di ossido di zinco mostrano l'effetto piezoelettrico, producendo elettricità quando sono sottoposti a stress meccanico. Georgia Tech professore di scienza dei materiali e ingegneria Zhong Lin Wang e il suo gruppo hanno dimostrato per la prima volta questi generatori di nanofili nel 2005. Da allora hanno realizzato dispositivi in grado di sfruttare l'energia di un criceto in corsa e il battito delle dita, e hanno anche combinato i loro nanofili piezoelettrici con celle solari.
Nel loro ultimo lavoro, pubblicato sulla rivista Materiale avanzato , Il team di Wang mostra che il nanogeneratore funziona all'interno di un animale vivo. I ricercatori hanno depositato un nanofilo di ossido di zinco su un substrato polimerico flessibile e hanno incapsulato il dispositivo in un involucro polimerico per proteggerlo dai fluidi corporei. È stato quindi attaccato al diaframma di un topo. La respirazione del roditore ha allungato il nanofilo e il dispositivo ha generato quattro picoampere di corrente a due millivolt. Quando è attaccato al cuore di un topo, il dispositivo ha fornito 30 picoampere a tre millivolt.
I nanogeneratori di ossido di zinco sarebbero una fonte di energia ideale per sensori su nanoscala che monitorano la pressione sanguigna oi livelli di glucosio e rilevano i biomarcatori del cancro. Questi possono funzionare a bassi livelli di potenza di circa un microwatt, ma hanno bisogno di una fonte di alimentazione di dimensioni nanometriche di lunga durata invece di una batteria per essere veramente su scala nanometrica. Il nostro obiettivo finale è realizzare nano dispositivi autoalimentati per applicazioni mediche, afferma Wang.
La scala di femtowatt di potenza generata dai dispositivi è troppo bassa per essere pratica in questo momento (potenza = corrente x tensione). Ma questo dovrebbe cambiare presto, dice Zhang. Sebbene i ricercatori abbiano testato solo un singolo dispositivo a nanocavi all'interno di un topo, hanno anche costruito un dispositivo che integra centinaia di nanocavi in una matrice. Questo dispositivo, che i ricercatori hanno recentemente riportato sulla rivista Nanotecnologia della natura, fornisce una corrente di uscita di circa 100 nanoampere a 1,2 volt, producendo 0,12 microwatt di potenza. Wang dice che il prossimo passo è connettere questo nanogeneratore ad alto rendimento a un nanosensore all'interno di un animale.
Esistono materiali piezoelettrici migliori dei nanofili di ossido di zinco e vengono presi in considerazione anche per applicazioni biomediche. Il materiale piezoelettrico più efficiente conosciuto è il PZT, un composto di piombo, zirconio e titanio. È 10 volte più efficiente dell'ossido di zinco nel convertire lo stress meccanico in corrente elettrica, afferma Michael McAlpine , professore di ingegneria meccanica alla Princeton University. Inserendo il PZT tra i pezzi di silicone, ha realizzato un materiale in grado di raccogliere l'80% dell'energia applicata quando viene flesso. Come Wang, si sta concentrando sull'utilizzo del materiale per alimentare gli impianti medici.
McAlpine afferma che il materiale fornisce 10 nanowatt di energia dal tocco delle dita umane. Fogli più grandi potrebbero generare energia sufficiente per caricare un pacemaker, ma il materiale non è stato ancora testato sugli animali. Qui, l'ossido di zinco potrebbe avere un vantaggio rispetto al PZT perché è biocompatibile. Il piombo in PZT richiederebbe che il dispositivo sia racchiuso in modo robusto in silicone o un altro polimero biocompatibile.
La sfida più grande per entrambi i materiali, tuttavia, sarà ottenere una potenza maggiore, afferma McAlpine. È incredibile che possano impiantare questi dispositivi in questi animali e ottenere energia, dice. Ma dobbiamo ancora andare lontano con i nostri dispositivi per ottenere una potenza significativa.