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Generando poder desde un corazón
Un nanoalambre diminuto y casi invisible puede convertir la energía de los músculos pulsantes y flexionados dentro del cuerpo de una rata en corriente eléctrica, según han demostrado investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia. Su nano generador algún día podría conducir a implantes médicos y sensores impulsados por los latidos del corazón o la respiración.
Cable de alta tensión: Se puede conectar un solo nanoalambre de óxido de zinc al corazón de una rata, donde produce corriente eléctrica a medida que se dobla con cada latido.
Los nanocables de óxido de zinc muestran el efecto piezoeléctrico, produciendo electricidad cuando están bajo tensión mecánica. Profesor de ciencia e ingeniería de materiales de Georgia Tech Zhong Lin Wang y su grupo demostró por primera vez estos generadores de nanocables en 2005. Desde entonces han fabricado dispositivos que pueden aprovechar la energía de un hámster corriendo y golpeando con los dedos, y también han combinado sus nanocables piezoeléctricos con células solares.
En su último trabajo, publicado en la revista Materiales avanzados , El equipo de Wang muestra que el nanogenerador funciona dentro de un animal vivo. Los investigadores depositaron un nanoalambre de óxido de zinc sobre un sustrato de polímero flexible y encapsularon el dispositivo en una carcasa de polímero para protegerlo de los fluidos corporales. Luego se adjuntó al diafragma de una rata. La respiración del roedor estiró el nanoalambre y el dispositivo generó cuatro picoamperios de corriente a dos milivoltios. Cuando se adjunta al corazón de una rata, el dispositivo dio 30 picoamperios a tres milivoltios.
Los nanogeneradores de óxido de zinc serían una fuente de energía ideal para sensores a nanoescala que monitorean la presión arterial o los niveles de glucosa y detectan biomarcadores de cáncer. Estos pueden funcionar con niveles de energía bajos de aproximadamente un microvatio, pero necesitan una fuente de energía de tamaño nanométrico de larga duración en lugar de una batería para ser verdaderamente nanoescala. Nuestro objetivo final es fabricar nanodispositivos autoamplificados para aplicaciones médicas, dice Wang.
La escala de femtovatios de potencia generada por los dispositivos es demasiado baja para ser práctica en este momento (potencia = corriente x voltaje). Pero eso debería cambiar pronto, dice Zhang. Si bien los investigadores solo han probado un único dispositivo de nanocables dentro de una rata, también han construido un dispositivo que integra cientos de nanocables en una matriz. Este dispositivo, que los investigadores informaron recientemente en la revista Nanotecnología de la naturaleza, da una corriente de salida de aproximadamente 100 nanoamperios a 1,2 voltios, produciendo 0,12 microvatios de potencia. Wang dice que el siguiente paso es conectar este nanogenerador de mayor rendimiento a un nano sensor dentro de un animal.
Existen mejores materiales piezoeléctricos que los nanocables de óxido de zinc y también se están considerando para aplicaciones biomédicas. El material piezoeléctrico más eficiente conocido es el PZT, un compuesto de plomo, circonio y titanio. Es 10 veces más eficiente que el óxido de zinc para convertir la tensión mecánica en corriente eléctrica, dice Michael McAlpine , profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Princeton. Al intercalar PZT entre piezas de silicona, ha creado un material que puede recolectar el 80 por ciento de la energía aplicada cuando se flexiona. Al igual que Wang, se centra en utilizar el material para impulsar implantes médicos.
McAlpine dice que el material da 10 nanovatios de potencia al golpear con los dedos humanos. Las láminas más grandes podrían generar suficiente energía para cargar un marcapasos, pero el material aún no se ha probado en animales. Aquí, el óxido de zinc podría tener una ventaja sobre el PZT porque es biocompatible. El plomo en PZT requeriría que el dispositivo estuviese envuelto de manera robusta en silicona u otro polímero biocompatible.
Sin embargo, el mayor desafío para ambos materiales será obtener una mayor potencia de salida, dice McAlpine. Es sorprendente que pudieran implantar estos dispositivos en estos animales y cortar la energía, dice. Pero todavía tenemos que ir muy lejos con nuestros dispositivos para obtener una potencia de salida significativa.