211service.com
Kracht genereren vanuit een hart
Een kleine, bijna onzichtbare nanodraad kan de energie van pulserende, buigende spieren in het lichaam van een rat omzetten in elektrische stroom, hebben onderzoekers van het Georgia Institute of Technology aangetoond. Hun nanogenerator zou ooit kunnen leiden tot medische implantaten en sensoren die worden aangedreven door hartslag of ademhaling.
Live draad: Een enkele zinkoxide-nanodraad kan aan het hart van een rat worden bevestigd, waar het elektrische stroom produceert terwijl het bij elke slag buigt.
Zinkoxide-nanodraden vertonen het piëzo-elektrische effect en produceren elektriciteit wanneer ze onder mechanische belasting staan. Georgia Tech hoogleraar materiaalkunde en techniek Zhong Lin Wang en zijn groep demonstreerden deze nanodraadgeneratoren voor het eerst in 2005. Sindsdien hebben ze apparaten gemaakt die de energie van een rennende hamster en tikkende vingers kunnen benutten, en hebben ze hun piëzo-elektrische nanodraden ook gecombineerd met zonnecellen.
In hun laatste werk, gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen , Wangs team laat zien dat de nanogenerator in een levend dier werkt. De onderzoekers hebben een nanodraad van zinkoxide op een flexibel polymeersubstraat afgezet en het apparaat in een polymeeromhulsel ingekapseld om het te beschermen tegen lichaamsvloeistoffen. Het werd vervolgens bevestigd aan het diafragma van een rat. De ademhaling van het knaagdier rekte de nanodraad uit en het apparaat genereerde vier picoampères stroom bij twee millivolt. Bij bevestiging aan het hart van een rat gaf het apparaat 30 picoampères bij drie millivolt.
Zinkoxide-nanogeneratoren zouden een ideale krachtbron zijn voor sensoren op nanoschaal die de bloeddruk of glucosespiegels bewaken en biomarkers voor kanker detecteren. Deze kunnen werken op een laag vermogen van ongeveer één microwatt, maar ze hebben een duurzame stroombron van nanoformaat nodig in plaats van een batterij om echt nanoschaal te zijn. Ons uiteindelijke doel is om zelfaangedreven nano-apparaten te maken voor medische toepassingen, zegt Wang.
De femtowatt-schaal van het vermogen dat door de apparaten wordt gegenereerd, is veel te laag om nu praktisch te zijn (vermogen = stroom x spanning). Maar daar zou snel verandering in moeten komen, zegt Zhang. Hoewel de onderzoekers slechts één nanodraadapparaat in een rat hebben getest, hebben ze ook een apparaat gebouwd dat honderden nanodraadjes in een array integreert. Dit apparaat, waarover de onderzoekers onlangs berichtten in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie, geeft een uitgangsstroom van ongeveer 100 nanoampère bij 1,2 volt, met een vermogen van 0,12 microwatt. Wang zegt dat de volgende stap is om deze nanogenerator met hogere output aan te sluiten op een nanosensor in een dier.
Er bestaan betere piëzo-elektrische materialen dan nanodraden van zinkoxide en deze worden ook overwogen voor biomedische toepassingen. Het meest efficiënte piëzo-elektrische materiaal dat bekend is, is PZT, een verbinding van lood, zirkonium en titanium. Het is 10 keer efficiënter dan zinkoxide bij het omzetten van mechanische spanning in elektrische stroom, zegt Michael McAlpine , een professor werktuigbouwkunde aan de Princeton University. Door PZT tussen siliconenstukken te klemmen, heeft hij een materiaal gemaakt dat 80 procent van de energie kan oogsten die wordt toegepast wanneer het wordt gebogen. Net als Wang concentreert hij zich op het gebruik van het materiaal om medische implantaten van stroom te voorzien.
McAlpine zegt dat het materiaal 10 nanowatt aan vermogen levert door tikken met de menselijke vinger. Grotere platen kunnen voldoende stroom opwekken om een pacemaker op te laden, maar het materiaal is nog niet op dieren getest. Hier kan zinkoxide een voordeel hebben ten opzichte van PZT omdat het biocompatibel is. De voorsprong in PZT zou vereisen dat het apparaat stevig wordt omhuld met siliconen of een ander biocompatibel polymeer.
De grootste uitdaging voor beide materialen zal echter het verkrijgen van een hoger vermogen zijn, zegt McAlpine. Het is verbazingwekkend dat ze deze apparaten in deze dieren konden implanteren en de stroom konden uitschakelen, zegt hij. Maar we moeten nog ver gaan met onze apparaten om een zinvol vermogen te krijgen.