Hệ thống phát điện siêu mỏng, tận dụng đường glucose trong cơ thể để sản sinh năng lượng

Thiết bị có thể tạo ra điện, với phụ phẩm là nước vô hại với cơ thể người.

Cơ thể chúng ta hấp thụ glucose từ thức ăn, lấy năng lượng vận hành mọi tế bào bên trong. Với bản chất là nguồn năng lượng, liệu glucose có thể trở thành “nguồn sống” cho thiết bị y tế cấy trong cơ thể không?

Các kỹ sư tới từ Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và Đại học Công nghệ Munich thừa nhận tiềm năng trên, và đã thiết kế một cell năng lượng glucose có thể chuyển đổi trực tiếp đường trong cơ thể thành năng lượng. Thiết bị có kích cỡ nhỏ hơn những mẫu từng được công bố trước đây, chỉ dày 400 nanomet (khoảng 1/100 đường kích sợi tóc người).

Nguồn năng lượng từ đường tạo ra khoảng 43 microwatt với mỗi centimet vuông diện tích thiết bị, lập kỷ lục mật độ năng lượng cao nhất từ trước tới nay. Đáng chú ý, thiết bị hoạt động được ở điều kiện thường.

Một điều đáng nói khác, thiết bị bền bỉ và chịu được nhiệt độ lên tới 600 độ C. Chúng có thể “sống sót” qua quy trình cấy ghép, vốn bao gồm khâu khử khuẩn bằng nhiệt độ cao.

Trái tim của thiết bị hiện đại được làm từ gốm, vật liệu tiếp tục khẳng định chỗ đứng của mình trong ngành công nghệ. Các nhà nghiên cứu mường tượng ra một tương lai tươi sáng, nơi cell năng lượng có thể được dát mỏng thành một lớp phim, hay bọc quanh thiết bị cấy ghép. Nó sẽ hấp thụ lượng glucose dồi dào trong cơ thể để cấp điện cho thiết bị.

“Glucose tồn tại ở khắp nơi trong cơ thể, ý tưởng ở đây là khai thác nguồn năng lượng sẵn có để vận hành thiết bị điện tử”, Philipp Simons, nhà thiết kế thiết bị mới cho hay. “Thử nghiệm của chúng tôi phô diễn cell năng lượng glucose ứng dụng công nghệ điện hóa mới”.

Giáo sư có tiếng Jennifer L.M. Rupp, đồng thời là giám sát dự án cho hay: “Thay vì sử dụng pin, vốn chiếm tới 90% thể tích thiết bị cấy ghép, bạn có thể tạo ra một thiết bị mỏng như tấm phim, không chiếm nhiều diện tích thiết bị”.

Nhóm nghiên cứu đa quốc gia không phải những người đầu tiên coi glucose là nguồn năng lượng cho thiết bị điện tử, khi những bộ óc lỗi lạc của thập niên 60 đã nghĩ tới tiềm năng của đường trong cơ thể. Nhưng công nghệ đột phá đã nằm khuất dưới bóng pin lithium-iodide suốt nhiều năm nay, không thể trở thành nguồn điện sử dụng cho các thiết bị cấy vào cơ thể, đơn cử như máy điều hòa nhịp tim.

Tuy nhiên, công nghệ pin lithium-iodide, hay cũng tương tự các công nghệ pin đại trà ngày nay, sở hữu một điểm yếu lớn. Pin cần có thể tích lớn để có thể chứa năng lượng.

“Các cell năng lượng của chúng tôi chuyển đổi năng lượng chứ không chứa năng lượng trong mình”, giáo sư Rupp nhận định về khả năng tiết kiệm diện tích cho thiết bị tương lai. Những năm gần đây, công nghệ cell năng lượng sử dụng glucose đang được các cơ quan nghiên cứu nhắc tới nhiều hơn.

Cấu tạo thiết bị

Thiết kế cơ bản của cell năng lượng sử dụng glucose bao gồm 3 lớp: hai cực hai đầu, nằm giữa là một lớp chất điện ly. Cực anode nằm trên sẽ phản ứng với glucose có trong chất dịch cơ thể, biến đổi đường thành acid gluconic. Quá trình chuyển hóa sẽ giải phóng một cặp proton và một cặp electron. Chất điện ly đóng vai trò ngăn cách proton và electron, để các electron thoải mái chảy vào một mạch điện, nơi nó thể hiện khả năng cung cấp năng lượng của mình.

Chất điện ly đồng thời làm cầu nối đưa proton di chuyển xuyên suốt cell năng lượng, cho phép proton kết hợp với không khí và tạo ra phụ phẩm nước vô hại.

Chất điện ly nằm giữa được làm từ ceria, một vật liệu gốm có khả năng dẫn ion cao, có thể linh hoạt trong tạo dáng, và vẫn được sử dụng rộng rãi trong sản xuất cell năng lượng hydro. Các nghiên cứu cho hay ceria còn tương thích vật liệu sinh học.

“Ceria được nghiên cứu sâu trong cộng đồng chống ung thư”, anh Simons cho hay. “Nó có nhiều điểm tương đồng với zirconia vốn được dùng trong cấy răng, cũng có tính an toàn và độ tương tích cao với vật liệu sinh học”.

Trong thử nghiệm, nhiều cell năng lượng đạt tới mức hiệu điện thế 80 milivolt, là mật độ năng lượng cao nhất trong tất cả các mẫu pin glucose từ trước tới nay. Theo lời anh Simons, nhóm nghiên cứu đã tạo ra đủ năng lượng cho một dòng điện vận hành thiết bị cấy ghép.

“Họ đã mở một lối đi mới trong chế tạo nguồn điện tí hon, dùng cho những thiết bị cấy ghép và nhiều những chức năng khác”, Truls Norby, giáo sư hóa học công tác tại Đại học Oslo, người không liên quan tới nghiên cứu mới, cho hay. “Thứ gốm được sử dụng đều không độc, chi phí sản xuất thấp, thích ứng được với điều kiện cơ thể lẫn quá trình khử khuẩn. Ý tưởng và thiết bị mẫu có được đều rất hứa hẹn”.