Un equipo de ingenieros del MIT y la Universidad Técnica de Múnich han diseñado un nuevo tipo de pila de combustible de glucosa que la convierte directamente en electricidad, y mide solo 400 nanómetros de grosor, es decir, aproximadamente 1/100 del diámetro de un cabello humano.
La fuente de energía azucarada genera unos 43 microvatios por centímetro cuadrado de electricidad, logrando la mayor densidad de potencia de cualquier pila de combustible de glucosa hasta la fecha en condiciones ambientales.
El nuevo dispositivo también es resistente, capaz de soportar temperaturas de hasta 600 grados Celsius, por lo que si se incorpora a un implante médico, la pila de combustible podría permanecer estable a través del proceso de esterilización a alta temperatura que requieren todos los dispositivos implantables.
El corazón del nuevo dispositivo está hecho de cerámica, un material que conserva sus propiedades electroquímicas incluso a altas temperaturas y a escala miniatura.
Los investigadores prevén que el nuevo diseño podría convertirse en películas o revestimientos ultrafinos y envolver los implantes para alimentar pasivamente la electrónica, utilizando el abundante suministro de glucosa del cuerpo.
Según lapublicacióndel MIT, el equipo no es el primero en concebir una pila de combustible de glucosa, que se introdujo inicialmente en la década de 1960 y mostró potencial para convertir la energía química de la glucosa en energía eléctrica.
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Azúcar y electroquímica
Las pilas de combustible de glucosa se basaban entonces en polímeros blandos y fueron rápidamente eclipsadas por las baterías de yoduro de litio, que se convertirían en la fuente de energía estándar para los implantes médicos, sobre todo el marcapasos cardíaco.
El diseño básico de una pila de combustible de glucosa consta de tres capas: un ánodo superior, un electrolito intermedio y un cátodo inferior:
- El ánodo reacciona con la glucosa de los fluidos corporales, transformando el azúcar en ácido glucónico, por lo que dicha conversión electroquímica libera un par de protones y un par de electrones.
- El electrolito intermedio actúa para separar los protones de los electrones, conduciendo los protones a través de la pila de combustible, donde se combinan con el aire para formar moléculas de agua, un subproducto inofensivo que fluye con el fluido corporal.
- Los electrones aislados fluyen hacia un circuito externo, donde pueden utilizarse para alimentar un dispositivo electrónico.
Los investigadores diseñaron una pila de combustible de glucosa con un electrolito hecho de ceria, un material cerámico que posee una alta conductividad iónica, mecánicamente robusto y, se utiliza ampliamente como electrolito en las pilas de combustible de hidrógeno. También se ha demostrado que es biocompatible.
El equipo colocó el electrolito con un ánodo y un cátodo de platino, un material estable que reacciona fácilmente con la glucosa. Fabricaron 150 pilas de combustible de glucosa individuales en un chip, cada una de ellas con un grosor de unos 400 nanómetros y una anchura de unos 300 micrómetros (aproximadamente la anchura de 30 cabellos humanos).
Las células se colocaron en obleas de silicio, lo que demuestra que los dispositivos pueden combinarse con un material semiconductor común. A continuación, midieron la corriente producida por cada célula al hacer fluir una solución de glucosa sobre cada oblea en una estación de prueba fabricada a medida.
“Es la primera vez que la conducción de protones en materiales electrocerámicos puede utilizarse para la conversión de glucosa en energía, definiendo un nuevo tipo de electroquímica. Amplía los casos de uso de materiales de las pilas de combustible de hidrógeno a nuevos y emocionantes modos de conversión de glucosa”
Jennifer L.M. Rupp, profesora de química de electrolitos en estado sólido en la Universidad Técnica de Múnich, Alemania
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Redacción | Antonio Vilela
