鉅大LARGE | 點擊量：597次 | 2021年12月21日
微型生物超級電容器竟然比一粒灰塵還小？電壓堪比AAA電池
微電子傳感器技術、微電子機器人或血管內植入物的小型化進展迅速。然而，它也給研究帶來了重大挑戰(zhàn)。其中最大的一項是開發(fā)微型但高效的能量存儲設備，這些設備能夠實現(xiàn)自主工作的微系統(tǒng)——例如，在越來越小的人體區(qū)域中運行。
此外，這些能量存儲設備如果要在體內使用，就必須是生物相容的?，F(xiàn)在有一個原型結合了這些基本屬性。
這一突破是由開姆尼茨理工大學納米電子材料系統(tǒng)教授、開姆尼茨大學納米膜材料、結構和集成中心（MAIN）發(fā)起人奧利弗·G·施密特教授領導的國際研究團隊實現(xiàn)的德累斯頓萊布尼茨固態(tài)與材料研究所(IFW)技術部主任。萊布尼茨聚合物研究所德累斯頓(IPF)也作為合作伙伴參與了這項研究。
指尖上的90個管狀納米生物超級電容器(nBSC)陣列可實現(xiàn)血液中傳感器的自給自足操作。（圖片：研究小組教授OliverG.Schmidt博士）
在最新一期的《自然通訊》（“Nano-biosupercapacitorsenableautarkicsensoroperationinblood”）中，研究人員報告了迄今為止最小的微型超級電容器，它已經在（人工）血管中起作用，并且可以用作能量來源用于測量pH值的微型傳感器系統(tǒng)。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
這種存儲系統(tǒng)為血管內植入物和用于下一代生物醫(yī)學的微型機器人系統(tǒng)開辟了可能性，這些系統(tǒng)可以在人體內深處難以到達的小空間中運行。例如，實時檢測血液pH值有助于預測早期腫瘤生長。
看到新的、極其靈活和自適應的微電子技術如何進入生物系統(tǒng)的微型世界，這是非常令人鼓舞的，研究小組負責人奧利弗G.施密特教授說，他對這項研究的成功非常滿意。
樣品的制造和生物超級電容器的研究主要在開姆尼茨理工大學的研究中心進行。
我們的納米生物超級電容器的架構為最大的挑戰(zhàn)之一提供了第一個潛在的解決方案-微型集成儲能設備，使多功能微系統(tǒng)能夠自給自足，施密特教授團隊的研究員VineethKumar博士說和MAIN研究中心的研究助理。
比一粒灰塵還小——電壓堪比AAA電池
然而，用于更小的微電子元件的亞毫米范圍內越來越小的能量存儲設備——所謂的“納米超級電容器”(nBSC)——不僅是一項重大的技術挑戰(zhàn)。這是因為，通常情況下，這些超級電容器不使用生物相容性材料，而是使用腐蝕性電解質，并且在出現(xiàn)缺陷和污染時會迅速放電。這兩個方面都使它們不適用于體內的生物醫(yī)學應用。
所謂的“生物超級電容器（BSC）”提供了一種解決方案。它們有兩個突出的特性：它們是完全生物相容的，這意味著它們可以用于血液等體液，并可用于進一步的醫(yī)學研究。
此外，生物超級電容器可以通過生物電化學反應補償自放電行為。在這樣做時，他們甚至可以從身體自身的反應中受益。這是因為，除了超級電容器的典型電荷存儲反應外，氧化還原酶促反應和血液中天然存在的活細胞將設備的性能提高了40%。
目前，最小的此類能量存儲設備大于3mm3。OliverSchmidt教授的團隊現(xiàn)已成功制造出體積小3,000倍的管狀nBSC，其體積僅為0.001mm3（1納升），占用的空間比一粒灰塵還小，但可為微電子提供高達1.6V的電源電壓傳感器。例如，該能量可用于血液中的傳感器系統(tǒng)。
功率水平也大致相當于標準AAA電池的電壓，盡管這些最小尺度上的實際電流當然要低得多。納米生物超級電容器的柔性管狀幾何形狀提供了有效的自我保護，防止由脈動血液或肌肉收縮引起的變形。在滿負荷時，所提出的納米生物超級電容器可以操作一個復雜的完全集成的傳感器系統(tǒng)，用于測量血液中的pH值。
得益于折紙結構技術：靈活、堅固、小巧
折紙結構技術涉及將nBSC組件所需的材料放置在高機械張力下的超薄表面上。當材料層隨后以受控方式從表面分離時，應變能被釋放，這些層將自身纏繞成具有高精度和良率(95%)的緊湊型3D設備。
以這種方式生產的納米生物超級電容器在稱為電解質的三種溶液中進行了測試：鹽水、血漿和血液。在所有三種電解質中，能量存儲都非常成功，盡管效率不同。在血液中，納米生物超級電容器顯示出極好的使用壽命，即使在16小時后仍能保持其初始容量的70%。使用質子交換分離器(PES)來抑制快速自放電。
即使在現(xiàn)實條件下的性能穩(wěn)定性
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。血流脈動并根據(jù)血管直徑和血壓而變化。循環(huán)系統(tǒng)內的任何可植入系統(tǒng)都必須承受這些生理條件，同時保持穩(wěn)定的性能。
因此，該團隊在直徑為120至150微米（0.12至0.15毫米）的所謂微流體通道中研究了他們開發(fā)的性能-類似于風洞，以模擬不同大小的血管。在這些通道中，研究人員模擬并測試了其儲能設備在不同流量和壓力條件下的行為。他們發(fā)現(xiàn)納米生物超級電容器可以在生理相關條件下良好而穩(wěn)定地提供電力。
獨立的傳感器技術可以支持診斷——例如腫瘤診斷
血液的氫勢(pH)會發(fā)生波動。例如，連續(xù)測量pH值有助于腫瘤的早期檢測。為此，研究人員開發(fā)了一種pH傳感器，由納米生物超級電容器提供能量。
OliverSchmidt教授的研究團隊先前建立的5μm薄膜晶體管(TFT)技術可用于開發(fā)具有卓越機械靈活性、以低功率（nW至μW）和高頻率（高達100MHz）運行的環(huán)形振蕩器。
對于當前項目，該團隊使用了基于nBSC的環(huán)形振蕩器。該團隊將pH敏感BSC集成到環(huán)形振蕩器中，以便根據(jù)電解質的pH值改變輸出頻率。這種pH敏感環(huán)形振蕩器還使用“瑞士卷”折紙技術形成了管狀3D幾何形狀，創(chuàng)建了一個完全集成的超緊湊型能量存儲和傳感器系統(tǒng)。
該微型傳感器系統(tǒng)的空心內核用作血漿的通道。此外，三個與傳感器串聯(lián)的nBSC可實現(xiàn)特別高效和自給自足的pH測量。
這些特性開辟了廣泛的可能應用，例如在診斷和藥物方面。
