این پیل سوختی گلوکز یا قند خون را مستقیما به برق تبدیل می‌کند

گلوکز نوعی قند است که با خوردن غذا جذب بدن می‌شود و سوخت تمام سلول‌های بدن را تامین می‌کند. اما آیا گلوکز یا قند خون می‌تواند برق ریزتراشه‌های کاشتنی در بدن را هم تامین کند؟

پیل سوختی یا سلول سوختی (fuel cell) با باتری فرق دارد. باتری انرژی الکتریکی را ذخیره می‌کند اما پیل سوختی، انرژی شیمیایی را مستقیما به برق تبدیل می‌کند. مهندسان موسسه فناوری ماساچوست (ام‌آی‌تی) و دانشگاه فنی مونیخ پیل سوختی گلوکزی جدیدی طراحی کرده‌اند که گلوکز یا قند خون را مستقیما به برق تبدیل می‌کند.

این پیل سوختی قندی از محصولات مشابه قبلی کوچکتر و ضخامتش تنها 400 نانومتر یعنی حدود یک‌صدم قطر تار موی انسان است. هر سانتی‌متر مربع از این پیل گلوکزی، حدود 43 میکرووات برق تولید می‌کند و چگالی برق آن بیش از تمام نمونه‌های مشابه قبلی است.

این پیل سوختیِ قندی مقاومت خوبی هم دارد و دمایی تا 600 درجه سانتی‌گراد را تحمل می‌کند. پس احتمالا برای تامین برق کاشتنی‌ها یا اصطلاحا ایمپلنت‌های پزشکی نیز می‌توان از این نوع پیل گلوکزی بهره برد زیرا کاشتنی‌های پزشکی ابتدا باید در دمای بالا استریل شوند و سپس درون بدن جاسازی شوند و پیل گلوکزی دانشگاه ام‌آی‌تی چنین دمایی را تاب می‌آورد.

مهم‌ترین بخش این پیل سوختی از سرامیک ساخته شده است. قطعات سرامیکی حتی در اندازه‌های بسیار ریز و در دماهای بالا نیز ویژگی‌های الکتروشیمیایی خود را حفظ می‌کنند. لذا محققان می‌کوشند این نوع پیل سرامیکی را در قالب نوارها یا پوشش‌های بسیار نازکی پیاده‌سازی کنند تا بتوان آن‌ها را دور کاشتنی‌ها پیچید. آنگاه این پیل‌های گلوکزی ورقه‌مانند قند خون را که در بدن فراوان است به‌روش غیرفعال (passive) به انرژی الکتریکی تبدیل و برق ریزقطعه‌های الکترونیکی درون بدن را تامین می‌کنند.

فیلیپ سیمونز که در بخشی از رساله دکتری خود در بخش علوم و مهندسی مواد، این طرح را ارائه کرده بود می‌گوید، گلوکز همه‌جای بدن وجود دارد. لذا آن‌ها قصد دارند این انرژی آماده را برای تامین برق کاشتنی‌ها به کار بگیرند.

دکتر راپ استاد راهنمای سیمونز نیز به‌این نکته اشاره می‌کند که گاهی 90 درصد حجم کاشتنی‌های پزشکی را باتری اشغال می‌کند. باتری چون انرژی الکتریکی را در خود ذخیره می‌کند، باید به‌اندازه کافی بزرگ باشد. اما پیل سوختی انرژی شیمیایی را مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند و لذا حجم بسیار کمتری دارد؛ طوری که می‌توانید آن‌را به‌شکل یک نوار نازک بسازید که تقریبا هیچ جایی اشغال نکند.

پیل سوختی گلوکزی (قندی): جدایی سخت

پیل سوختی گلوکزی، طرح جدیدی نیست. ایده اولیه آن در دهه 1960 مطرح شد و نشان داد که می‌توان انرژی شیمیایی گلوکز را به انرژی الکتریکی تبدیل کرد. ابتدا برای ساخت پیل‌های سوختی گلوکزی از پلیمر نرم استفاده می‌کردند اما خیلی زود باتری‌های یدید لیتیوم جای آن‌ها را گرفتند و به منبع استاندارد تامین برق کاشتنی‌های پزشکی تبدیل شدند (عمدتا در ضربان‌سازهای مصنوعی قلب).

اما باتری‌‌ها محدودیت مهمی دارند: باتری را نمی‌توان خیلی کوچک ساخت، زیرا باید به‌اندازه کافی بزرگ باشند تا بتواند انرژی کافی ذخیره کند. پیل‌های سوختی اما انرژی شیمیایی را مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند، و چون هیچ برقی را در خود ذخیره نمی‌کنند، فضای بسیار کمتری می‌گیرند. در سال‌های اخیر، دانشمندان پیل‌های سوختی را این‌بار به دیده منابع کوچک برق نگریستند که مستقیما قند خون را به برق تبدیل می‌کنند.

پیل سوختی گلوکزی در اصل سه لایه دارد:

• لایه فوقانی، قطب منفی (آند)
• لایه میانی الکترولیت
• لایه تحتانی، قطب مثبت (کاتد)

قطب منفی با قند یا گلوکز موجود در مایعات بدن وارد واکنش شیمیایی می‌شود و قند را به اسید گلوکنید تبدیل می‌کند. در نتیجه این تبدیل الکتروشیمیایی، یک‌جفت پروتون و یک‌جفت الکترون آزاد می‌شود. لایه میانی یعنی الکترولیت پروتون‌ها را از الکترون‌ها جدا می‌کند و پروتون‌ها را از سلول سوختی عبور می‌دهد تا در آن‌جا با هوا ترکیب شوند و مولکول آب تشکیل دهند که محصول بی‌ضرری است و در مایعات بدن نیز فراوان جریان دارد. در همین حال، الکترون‌های جدا شده نیز در مدار خارجی (اکسترنال) جریان می‌یابند و در آن‌جا می‌توانند برق ریزتراشه الکترونیکیِ کاشتنی را تامین کنند.

پژوهشگران می‌خواستند لایه الکترولیت را که اغلب از پلیمر ساخته می‌شد، با مواد بهتری بسازند و طراحی آن‌را بهبود دهند. پلیمر ضعف‌هایی دارد از جمله این‌که در دمای بالا خاصیت رساناییش تضعیف می‌شود و نمی‌تواند پروتون‌ها را جابه‌جا کند. ضمنا وقتی اندازه قطعه پلیمری تا مقیاس نانومتر کاهش می‌یابد، ویژگی‌هایش را بسختی حفظ می‌کند و استرلیزه کردن آن نیز سخت می‌شود. محققان به‌این فکر افتادند که به‌جای پلیمر از سرامیک بهره ببرند. سرامیک در برابر گرما مقاوم است و به‌طور طبیعی رسانای پروتون‌ها است، پس می‌توانست کارِ الکترولیتِ پیل‌های سوختی گلوکزی را انجام دهد.

راپ به مزایای استفاده از سرامیک برای ساخت پیل سوختی گلوکزی اشاره می‌کند: پایداری بلندمدت، حفظ خواص‌ حتی در مقیاس نانو و این‌که می‌توان آن‌را در تراشه‌های سیلیکونی یکپارچه کرد.

اوج توان پیل سوختی گلوکزی (قندی) چقدر است؟

سرانجام محققان با الکترولیتی از جنس سریا (ceria) پیل سوختی گلوکزی ساختند. سریا نوعی ماده سرامیکی و رسانای قدرتمند یون‌ها است؛ از نظر مکانیکی نیز محکم است و برای ساخت الکترولیتِ پیل‌های سوختی هیدروژنی به‌وفور استفاده می‌شود. ضمنا بررسی‌ها نشان داده‌اند که سریا از نظر زیستی نیز با بدن انسان سازگار است.

آنطور که از گفته‌های سیمونز برمی‌آید، در تحقیقات مرتبط با سرطان نیز درباره سریا خیلی مطالعه شده است. سریا نیز مثل «زیرکونیا» که در کاشت دندان به‌کار می‌رود، از نظر زیستی ماده سازگار و ایمنی است.

پژوهشگران الکترولیت جدید را میان یک لایه آند و یک لایه کاتد از جنس پلاتین جای دادند. پلاتین ماده پایداری است که سریعا با گلوکز وارد واکنش می‌شود. آن‌ها روی یک تراشه، 150 سلول سوختی قندی ساختند که ضخامت هر کدام تقریبا 400 نانومتر و پهنای‌شان حدودا 300 نانومتر بود (تقریبا هم‌عرض 30 تار موی انسان). آن‌ها سلول‌های سوختی را روی ویفر سیلیکونی پیاده‌سازی کردند و نشان دادند که این پیل‌ها با مواد رایج نیمه‌رسانا نیز سازگارند. آن‌ها سپس میزان جریان تولیدیِ هر پیل سوختی را در آزمایشگاه را اندازه گرفتند.

حداکثر ولتاژی که پیل‌های سوختی متعدد در کل تولید کردند، حدود 80 میلی‌ولت بود که باتوجه به اندازه بسیار کوچک پیل‌ها رقم چشمگیری بود زیرا چگالی برق این تعداد پیل سوختی نانویی از تمام محصولات مشابه پیشین بیشتر بود. با همین الکتریسیته ظاهرا کم، می‌توان برق کاشتنی‌های درون بدن را تامین کرد.