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Nature:師法自然!新型“水凝膠液滴電池”問世!

清新電源 ? 來源:清新電源 ? 2023-09-10 09:25 ? 次閱讀
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01

導讀

電鰻是一種可以放電的生物,主要分布于南美洲的亞馬遜河和圭亞那河地區(qū)。成年電鰻輸出的電壓可達300-800 V,產(chǎn)生足以將人擊昏的電流,是放電能力最強的淡水魚類,被稱為 “水中高壓線”。

02

成果簡介

本文作者受電鰻發(fā)電啟發(fā),通過沉積脂質(zhì)支持的納升水凝膠液滴網(wǎng)絡(luò)來開發(fā)一種小型化軟電源,該水凝膠液滴使用內(nèi)部離子梯度來產(chǎn)生能量。與最初受鰻魚啟發(fā)的設(shè)計相比,該方法可以將動力單元的體積縮小10倍以上,并且可以存儲能量超過24小時,實現(xiàn)按需運行,功率密度提高680倍,約為1300 W m?3。相關(guān)工作以“A microscale soft ionic power source modulates neuronal network activity”為題發(fā)表在Nature上。

03

關(guān)鍵創(chuàng)新

1、本文受電鰻發(fā)電啟發(fā),開發(fā)了一種微型“液滴水凝膠電池”,通過水凝膠液滴之間的離子梯度來產(chǎn)生能量,功率密度達到約1300 W m?3。

2、該液滴裝置可以作為生物相容性和生物離子電流源來調(diào)節(jié)三維神經(jīng)微組織和離體小鼠腦切片中的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)活動。最終,該軟微型離子電子設(shè)備可能會集成到生物體中。

04

核心內(nèi)容解讀


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圖1液滴電源的結(jié)構(gòu)和輸出性能。a–c、通過沉積水凝膠液滴形成的動力裝置的制造工藝;d、液滴動力單元形成過程的明場圖像;e、輸出開路電壓(VOC);f,在形成連續(xù)水凝膠網(wǎng)絡(luò)之前,歸一化VOC和單個功率單元的平均液滴直徑隨在油中不同儲存時間長度的變化。@The Authors

電鰻的發(fā)電能力依賴于成千上萬的電細胞串聯(lián)堆疊,其中陽離子Na+和K+可以在濃度梯度的驅(qū)動下,單向通過細胞膜上的離子選擇蛋白通道。研究者通過將5個納米水凝膠(瓊脂糖)液滴按順序組合,模擬了鰻魚電器官的總體布局和機制。在單個單元中,液滴的順序是:高鹽(例如CaCl2、KCl或NaCl)、陽離子選擇性、低鹽選擇性、陰離子選擇性和另一個高鹽液滴。用電子顯微注射器將它們沉積在含脂油中。液滴最初被單層脂質(zhì)包圍,這些單層脂質(zhì)在相互接觸后幾秒鐘內(nèi)形成液滴界面雙層(DIBs),從而形成穩(wěn)定的無支撐結(jié)構(gòu)。為了激活電源,將組裝好的液滴移動到無脂油中以去除脂質(zhì)并拆卸DIBs。然后將液滴在4℃下凝膠化,形成連續(xù)的水凝膠結(jié)構(gòu)。這使得離子可以穿過導電水凝膠,從兩端的高鹽液滴移動到中間的低鹽液滴。通過將末端液滴連接到電極,離子梯度釋放的能量轉(zhuǎn)化為電能,使水凝膠結(jié)構(gòu)能夠充當外部組件的電源。在研究中,激活的液滴電源產(chǎn)生持續(xù)超過30分鐘的電流。由50納升液滴組成的單元的最大輸出功率約為65nW。這些設(shè)備在存放36小時后產(chǎn)生了相似的電流量。

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圖2液滴體積對液滴電源電學特性的影響。a、初始(t = 0) VOC和ISC值。低于100 nl的液滴體積是根據(jù)顯微鏡測量的直徑計算的;b、計算不同液滴體積的單個功率單元的功率密度和總釋放電荷。動力源的體積和長度是單個液滴體積和直徑的五倍;c、歸一化VOC、ISC和串聯(lián)和/或并聯(lián)形成液滴網(wǎng)絡(luò)的功率單元的總釋放電荷。@The Authors

使用脂質(zhì)支持的水凝膠液滴構(gòu)建軟電源的優(yōu)點之一是易于小型化。將液滴體積從1000nl減少99.8%至1.84nl,導致輸出電壓(36%,從136 mV減少至87 mV)和電流(70%,從2.7μA減少至0.83μA)。盡管小型化電源的總釋放電荷較低,但作者可以串聯(lián)和并聯(lián)組合多個電源單元以增加輸出電壓和電流。VOC隨著串聯(lián)單元數(shù)量的增加而增加,ISC和總釋放電荷隨著并聯(lián)單元數(shù)量的增加而增加。

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圖3模板輔助液滴網(wǎng)絡(luò)制造和輸出。a-b、大型圖案化電源網(wǎng)絡(luò)的準備;c,具有多個液滴六邊形的模具的明場圖像。每個液滴的體積約為4 nl。比例尺,600 μm;d,放大單個六邊形層。比例尺,200 μm;e,堆疊7個和28個功率單元。標尺,600 μm;f,經(jīng)過四步順序沉積到螺旋模具中,液滴自組裝成一系列動力單元;g-h,連接二十個動力單元(g;標尺,1.2 mm)以產(chǎn)生足以點亮紅色發(fā)光二極管(h)的輸出電壓。@ The Authors

為了擴大小液滴的組裝規(guī)模以適應(yīng)更大規(guī)模的應(yīng)用,作者采用了模板方法,將多個液滴沉積到三維打印的樹脂模具中,以生產(chǎn)預先設(shè)計圖案的動力單元。作者在螺旋模具中串聯(lián)組裝了20個五液滴單元。螺旋電源可以點亮發(fā)光二極管。

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圖4離子液滴裝置誘導的神經(jīng)元調(diào)節(jié)。a、用于通過從液滴設(shè)備產(chǎn)生離子電流來調(diào)節(jié)神經(jīng)元活動的觸發(fā)策略;b,由細胞內(nèi)Fluo-4熒光反映的離子電流調(diào)節(jié)的神經(jīng)元活動;c、輸出液滴裝置穿過低鹽液滴;d,不同時間點的幀,顯示包埋在液滴中的神經(jīng)元;f、不同培養(yǎng)期后和小鼠離體腦切片中神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的熒光中心在90秒內(nèi)的相對位移。@ The Authors

隨后,作者演示了如何將活細胞附著在該裝置的一端,以便它們的活動可以直接受到離子電流的調(diào)節(jié)。研究小組將該裝置附著在含有人類神經(jīng)祖細胞的液滴上,這些液滴已被熒光染料染色以表明其活性。當電源打開時,延時記錄顯示神經(jīng)元中由局部離子電流誘導的細胞間鈣信號波。

05

成果啟示

通過利用離子梯度,本文開發(fā)了一種液滴水凝膠電池,可實現(xiàn)約1300 W m?3的功率密度。未來的研究應(yīng)側(cè)重于在生理條件下利用該電池裝置并提高整體能量容量,從而可用于為下一代生物混合界面、植入物、合成組織和微型機器人提供動力。液滴裝置也為調(diào)節(jié)各種小型細胞結(jié)構(gòu)(如腦類器官和組裝體)的活性鋪平了另一條道路。

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原文標題:Nature:師法自然!新型“水凝膠液滴電池”問世!

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