比灰塵還小! 奈米超級電容器電壓堪比AAA電池

作者 : TU-Chemnitz

德國研究人員為醫療和感測器設計開發出世界上最小的電源,該生物相容能量儲存裝置適於植入人體血管的醫療感測器應用…

德國研究機構IFW Dresden、IPF Dresden和開姆尼茨工業大學(Chemnitz University of Technology;TU-Chemnitz)組成的研究團隊在最新一期《自然通訊》(Nature Communications)展示一種生物相容的儲能裝置,適於植入人體血管的醫療感測器應用。

該研究團隊開發出號稱世界上最小的超級電容器,尺寸比一粒灰塵還小,且其電源僅低至1奈升(nL),但可驅動植入式醫療感測器,為微電子感測器設計提供高達1.6V的電壓(相當於1顆AAA電池)。

由TU-Chemnitz奈米電子材料系統教授Oliver Schmidt帶領的研究團隊開發了一個尺寸約0.001mm3 (1nL)的超級電容器原型。該微型超級電容器已用於人造血管,可用於作為微型感測器系統的能量來源,以及測量 pH 值。例如即時檢測血液的pH值,有助於預測早期腫瘤生長。

目前,這一類最小型能量儲存裝置通常大於3mm3。而德國研究人員新開發的這款奈米生物超級電容(nBSC)原型甚至比一粒灰塵還小,卻能為微電子感測器提供高達1.6V的電源電壓。

例如,該能源可用於人體血液中的感測器系統。儘管這些最小型裝置的實際電流明顯更低得多,但其電源級大致相當於一顆標準AAA電池的電壓。奈米生物超級電容器的軟性管狀幾何形狀提供了有效的自我保護,能夠防止由脈動血液或肌肉收縮引起的變形。在滿負載運行時,nBSC可以操作複雜的完全整合式感測器系統,用於測量血液中的pH值。

樣本的製造以及生物超級電容的研究主要是在TU Chemnitz的主要研究中心(MAIN Research Center)進行。該中心研究助理Vineeth Kumar說:「我們的奈米生物超級電容架構為其中一項重要挑戰提供潛在的解決方案——微型整合儲能裝置,使多功能微系統能夠自給自足。」Kumar同時也是Schmidt團隊的研究成員之一。

 A microelectronic device attached on a fingertip.

圖中在指尖上的 90個管狀奈米生物超級電容器(nBSC)陣列,可讓血液中的感測器自給自足地運作。(圖片來源:TU-Chemnitz)

奈米超級電容器

奈米超級電容器(nBSC)通常難以針對醫療應用進行生產,因為它們並非使用生物相容材料,而是腐蝕性電解質,在出現缺陷和污染的情況下會迅速自行放電,這使其並不適於人體的生物醫學應用。

生物超級電容器則具有完全的生物相容性,因而可用於血液等體液中,並可用於進一步的醫學研究。同時,這些也可以透過生物電化學反應以補償自放電,甚至在進行這一過程時,還有助於其從人們的自體反應中受益。

nBSC 的摺紙(origami)結構是將nBSC元件所需的材料放置在高機械張力下的超薄表面。當材料層隨後經控制從表面分離時,應變能即被釋放,而這些超薄層則以高精度和95%的良率纏繞自身成緊湊的3D裝置。接著,以此生產的奈米生物超級電容分別以三種電解質溶液進行測試:鹽水、血漿和血液。這三種電解質都能成功儲存能量,但效率各不相同。在血液中,奈米生物超級電容器顯示使用壽命極佳,即使在16小時後仍能保有原始容量的7成。同時使用質子交換分離器(PES)以抑制快速自放電。

為了在不同情況下維持自然的身體機能,血液的流動特性和血管內的壓力都在不斷變化。血流脈動並根據血管直徑和血壓而變化。循環系統內的任何植入式系統都必須承受這些生理條件,同時保持穩定性能。

研究人員並探索nBSC在直徑為120~150µm (0.12-0.15mm)的微流體通道性能,以模擬不同大小的血管。在這些通道中,研究人員模擬並測試其儲能裝置在不同流量和壓力條件下的行為。研究人員發現,奈米生物超級電容器可在生理相關條件下有效且穩定地提供電力。

血液的pH值會發生波動。例如,連續測量pH值有助於腫瘤的早期檢測。為此,研究人員開發了一種可由奈米生物超級電容器供電的pH感測器。

Schmidt的研究團隊先前曾經打造5µm TFT技術,用於開發具有機械靈活性的環形振盪器,並能以低功率(nW至µW)和高頻率(高達100MHz)運行。

而今,研究團隊為現有設計使用基於nBSC的環形振盪器,將具有pH-靈敏度(pH-sensitive)的BSC整合至環形振盪器中,以便根據電解質的pH值改變輸出頻率。這種pH-sensitive環形振盪器還使用摺紙技術形成了管狀3D幾何形狀,從而打造出一種完全整合的超緊湊型能量儲存和感測器系統。

該微型感測器系統的中空核心可用於作為血漿的通道。此外,三個與感測器串聯的nBSC還可實現特別高效率且自給自足的pH測量。

研究人員見證了這種靈活且自適應的新型微電子技術成功地進入生物系統的微型世界,而其特性也開啟了一連串可能的新應用,例如診斷和藥物方面。

本文原刊登於EDN China網站,夏菲編譯

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