Electric eel inspires biocompatible hydrogel battery / L'anguilla elettrica ispira la batteria di idrogel biocompatibile

Electric eel inspires biocompatible hydrogel battery / L'anguilla elettrica ispira la batteria di idrogel biocompatibile

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
electric eel
(Credit: Steven G Johnson via CC)

Researchers in Switzerland and the US have been inspired by the electric eel to create a biocompatible hydrogel battery that could power devices inside the body.

Electric eels combine potassium and sodium ions in cell membranes to deliver their trademark jolt. Mimicking that system, the researchers used the sodium and chloride constituents of salt, dissolved in a hydrogel. Thousands of tiny droplets of the salty gel were printed on a plastic sheet, alternating them with hydrogel droplets of pure water. The team then created a second sheet of alternating droplets made of charge-selective hydrogel.  Each droplet allows either positively charged sodium or negatively charged chloride to pass, while at the same time excluding the other.
When the sheets are pressed together, the salty and fresh solutions mix, the charge-selective droplets move the sodium and chloride ions in opposing directions, and an electric current is produced. The work, published in Nature, featured input from scientists and engineers from the University of Michigan, the Adolphe Merkle Institute at Switzerland’s University of Fribourg, and the University of California-San Diego.
“The eel polarises and depolarises thousands of cells instantaneously to put out these high voltages,” said study co-author Max Shtein, associate professor of materials science and engineering at Michigan. “It’s a fascinating system to look at from an engineering perspective – its performance metrics, its fundamental building blocks and how to use them.”
One particular challenge was aligning the alternating cells in the correct order so that they created a current when brought together simultaneously. The team solved this problem with an origami technique called a Miura fold, often used to fold solar panels into satellites for launch. The different droplet types were alternated in a precise pattern on a flat sheet that had been laser-scored in a Miura pattern. When pressure was applied, the sheet quickly folded together, stacking the cells in exactly the right positions.
According to the researchers, the goal is now to improve the device’s efficiency, with a view to one day using it to power implantable or wearable electronics. There is also a belief that the hydrogel battery could potentially be powered up using the body’s own bioelectric processes, much like the eels that inspired the original concept. But while an electric eel can deliver up to 600 volts, the hydrogel system is a lot less powerful.
“The electric organs in eels are incredibly sophisticated; they’re far better at generating power than we are,” said Michael Mayer, a professor of biophysics at Fribourg’s Adolphe Merkle Institute. “But the important thing for us was to replicate the basics of what’s happening.”

ITALIANO

I ricercatori in Svizzera e negli Stati Uniti sono stati ispirati dall'anguilla elettrica per creare una batteria di idrogel biocompatibile che potrebbe alimentare i dispositivi all'interno del corpo.
Le anguille elettriche combinano ioni di potassio e sodio nelle membrane cellulari per generare energia elettrica. Imitando quel sistema, i ricercatori hanno usato i costituenti di sodio e cloruro di sale, sciolti in un idrogel. Migliaia di minuscole goccioline di gel salato sono state stampate su un foglio di plastica, alternandole con gocce di idrogel di acqua pura. Il gruppo ha quindi creato un secondo foglio di goccioline alternate fatte di idrogel selettivo per la carica. Ogni gocciolina consente il passaggio sia di sodio caricato positivamente che di cloruro caricato negativamente, mentre allo stesso tempo esclude l'altro.
Quando i fogli vengono premuti insieme, le soluzioni salate e fresche si mescolano, le goccioline selettive della carica spostano gli ioni sodio e cloruro in direzioni opposte e viene prodotta una corrente elettrica. Il lavoro, pubblicato su Nature, ha visto la partecipazione di scienziati e ingegneri dell'Università del Michigan, dell'Adolphe Merkle Institute dell'Università svizzera di Friburgo e dell'Università della California-San Diego.
"L'anguilla polarizza e depolarizza istantaneamente migliaia di cellule per eliminare queste alte tensioni", ha detto il co-autore dello studio Max Shtein, professore associato di scienza dei materiali e ingegneria nel Michigan. "È un sistema affascinante da guardare da un punto di vista ingegneristico: le sue metriche prestazionali, i suoi blocchi fondamentali e come usarli".
Una sfida particolare era allineare le celle alternate nell'ordine corretto in modo che creassero una corrente quando riunite simultaneamente. Il gruppo ha risolto questo problema con una tecnica origami denominata piega Miura, spesso utilizzata per piegare pannelli solari in satelliti per il lancio. I diversi tipi di gocce sono stati alternati in un modello preciso su un foglio piatto che era stato segnato con laser in un modello Miura. Quando la pressione è stata applicata, il foglio si è rapidamente piegato, impilando le celle esattamente nelle posizioni giuste.
Secondo i ricercatori, l'obiettivo è ora di migliorare l'efficienza del dispositivo, in vista di usarlo un giorno per alimentare l'elettronica impiantabile o indossabile. C'è anche la convinzione che la batteria di idrogel potrebbe potenzialmente essere accesa usando i propri processi bioelettrici del corpo, proprio come le anguille che hanno ispirato il concetto originale. Ma mentre un'anguilla elettrica può fornire fino a 600 volt, il sistema di idrogel è molto meno potente.
"Gli organi elettrici delle anguille sono incredibilmente sofisticati; sono molto più bravi a generare energia di noi ", ha detto Michael Mayer, professore di biofisica presso l'Adolphe Merkle Institute di Friburgo. "Ma la cosa importante per noi era replicare le basi di ciò che sta accadendo."

Da:

https://www.theengineer.co.uk/electric-eel-hydrogel-battery/?cmpid=tenews_4452769&utm_medium=email&utm_source=newsletter&utm_campaign=tenews&adg=CA40D8F0-63B9-4BE1-90A0-3379B1DDE40E

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