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Featured16/05/2022

Açúcar do próprio corpo é usado por célula de combustível para gerar eletricidade

Chip de silício com 30 microcélulas de combustível de glicose individuais, vistas como pequenos quadrados prateados dentro de cada retângulo cinza. Crédito: Kent Dayton

16/05/22 - 12h14min

Açúcar que absorvemos dos alimentos que comemos, a glicose é o combustível que alimenta cada célula do nosso corpo. Engenheiros do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT, nos EUA) e da Universidade Técnica de Munique (Alemanha) imaginaram que ela poderia ter outra finalidade: alimentar os implantes médicos do futuro.

Eles projetaram um novo tipo de célula de combustível de glicose que converte a glicose diretamente em eletricidade. Menor do que outras células de combustível de glicose propostas, o dispositivo mede apenas 400 nanômetros de espessura – aproximadamente 1/100 do diâmetro de um fio de cabelo humano. A fonte de energia açucarada gera cerca de 43 microwatts por centímetro quadrado de eletricidade, alcançando a maior densidade de energia de qualquer célula de combustível de glicose até hoje sob condições ambientais.

Os resultados obtidos pelos pesquisadores são relatados em artigo publicado na revista Advanced Materials.

Resistência a altas temperaturas

O novo dispositivo também é resistente, capaz de suportar temperaturas de até 600 graus Celsius. Se incorporada a um implante médico, a célula de combustível pode permanecer estável através do processo de esterilização de alta temperatura necessário para todos os dispositivos implantáveis.

O coração do novo dispositivo é feito de cerâmica, um material que mantém suas propriedades eletroquímicas mesmo em altas temperaturas e escalas em miniatura. Os pesquisadores preveem que o novo design pode ser transformado em filmes ou revestimentos ultrafinos e enrolado em implantes para alimentar passivamente a eletrônica, usando o abundante suprimento de glicose do corpo.

“A glicose está em todo o corpo, e a ideia é coletar essa energia prontamente disponível e usá-la para alimentar dispositivos implantáveis”, afirmou Philipp Simons, que desenvolveu o projeto como parte de sua tese de doutorado no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais (DMSE) do MIT. “Em nosso trabalho, mostramos uma nova eletroquímica de células de combustível de glicose.”

“Em vez de usar uma bateria, que pode ocupar 90% do volume de um implante, você poderia fazer um dispositivo com um filme fino e teria uma fonte de energia sem pegada volumétrica”, disse a autora correspondente Jennifer L. M. Rupp, supervisora de tese de Simons e professora visitante do DMSE, que também é professora associada de química de eletrólitos de estado sólido na Universidade Técnica de Munique.

Separação “difícil”

A inspiração para a nova célula a combustível veio em 2016, quando Rupp, especialista em cerâmica e aparelhos eletroquímicos, foi fazer um teste de rotina de glicose no final da gravidez.

“No consultório do médico, eu era uma eletroquímica muito entediada, pensando no que você poderia fazer com açúcar e eletroquímica”, lembrou Rupp. “Então percebi que seria bom ter um dispositivo de estado sólido alimentado por glicose. E Philipp e eu nos encontramos tomando um café e escrevemos em um guardanapo os primeiros desenhos.”

A equipe não é a primeira a conceber uma célula de combustível de glicose, que foi inicialmente introduzida na década de 1960 e mostrou potencial para converter a energia química da glicose em energia elétrica. Mas as células de combustível de glicose na época eram baseadas em polímeros macios e foram rapidamente eclipsadas por baterias de iodeto de lítio, que se tornariam a fonte de energia padrão para implantes médicos, principalmente o marcapasso cardíaco.

No entanto, as baterias têm um limite de miniaturização, pois seu design requer capacidade física para armazenar energia.

“As células de combustível convertem diretamente a energia em vez de armazená-la em um dispositivo. Então, você não precisa de todo o volume necessário para armazenar energia em uma bateria”, afirmou Rupp.

Dispositivos robustos

Nos últimos anos, os cientistas deram outra olhada nas células de combustível de glicose como fontes de energia potencialmente menores, alimentadas diretamente pela glicose abundante do corpo.

O design básico de uma célula de combustível de glicose consiste em três camadas: um ânodo superior, um eletrólito intermediário e um cátodo inferior. O ânodo reage com a glicose nos fluidos corporais, transformando o açúcar em ácido glucônico. Essa conversão eletroquímica libera um par de prótons e um par de elétrons. O eletrólito do meio atua para separar os prótons dos elétrons, conduzindo os prótons através da célula de combustível, onde eles se combinam com o ar para formar moléculas de água – um subproduto inofensivo que flui com o fluido do corpo. Enquanto isso, os elétrons isolados fluem para um circuito externo, onde podem ser usados ​​para alimentar um dispositivo eletrônico.

A equipe procurou melhorar os materiais e designs existentes modificando a camada de eletrólitos, feita geralmente de polímeros. Mas as propriedades do polímero, assim como sua capacidade de conduzir prótons, degradam-se facilmente em altas temperaturas, são difíceis de reter quando reduzidas à dimensão de nanômetros e são difíceis de esterilizar. Os pesquisadores se perguntaram se uma cerâmica – um material resistente ao calor que pode conduzir prótons naturalmente – poderia ser transformada em um eletrólito para células de combustível de glicose.

“Quando você pensa em cerâmica para uma célula de combustível de glicose, ela tem a vantagem de estabilidade em longo prazo, pequena escalabilidade e integração de chip de silício”, observou Rupp. “Elas são duras e robustas.”

Pico de energia

Os pesquisadores projetaram uma célula a combustível de glicose com um eletrólito feito de céria, um material cerâmico que possui alta condutividade iônica, é mecanicamente robusto e, como tal, é amplamente utilizado como eletrólito em células a combustível de hidrogênio. Também se mostrou biocompatível.

“A céria é ativamente estudada na comunidade de pesquisa do câncer”, observou Simons. “Também é semelhante à zircônia, que é usada em implantes dentários, e é biocompatível e segura”.

A equipe ensanduichou o eletrólito com um ânodo e um cátodo feitos de platina, um material estável que reage prontamente com a glicose. Os pesquisadores fabricaram 150 células de combustível de glicose individuais em um chip, cada uma com cerca de 400 nanômetros de espessura e cerca de 300 micrômetros de largura (aproximadamente a largura de 30 cabelos humanos). Eles padronizaram as células em pastilhas de silício, mostrando que os dispositivos podem ser emparelhados com um material semicondutor comum. Mediram então a corrente produzida por cada célula à medida que fluíam uma solução de glicose sobre cada dispositivo em uma estação de teste fabricada sob medida.

Eles descobriram que muitas células produziam uma voltagem de pico de cerca de 80 milivolts. Dado o pequeno tamanho de cada célula, essa saída é a maior densidade de potência de qualquer projeto de célula de combustível de glicose existente.

“Emocionantemente, somos capazes de extrair energia e corrente suficientes para alimentar dispositivos implantáveis”, disse Simons.

“É a primeira vez que a condução de prótons em materiais eletrocerâmicos pode ser usada para conversão de glicose em energia, definindo um novo tipo de eletroquímica”, afirmou Rupp. “Ela estende os casos de uso de materiais de células de combustível de hidrogênio para novos e emocionantes modos de conversão de glicose.”

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