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Una pila de combustible ultrafina utiliza el azúcar del propio cuerpo para generar electricidad

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La glucosa es el azúcar que absorbemos de los alimentos que comemos. Es el combustible que alimenta todas las células de nuestro cuerpo. ¿Podría la glucosa alimentar también los implantes médicos del futuro?

Los ingenieros del MIT y la Universidad Técnica de Múnich creen que sí. Han diseñado un nuevo tipo de pila de combustible de glucosa que la convierte directamente en electricidad. El dispositivo es más pequeño que otras pilas de combustible de glucosa propuestas, ya que sólo mide 400 nanómetros de grosor, es decir, aproximadamente 1/100 del diámetro de un cabello humano.

La fuente de energía azucarada genera unos 43 microvatios por centímetro cuadrado de electricidad, logrando la mayor densidad de potencia de cualquier pila de combustible de glucosa hasta la fecha en condiciones ambientales.

El nuevo dispositivo también es resistente, capaz de soportar temperaturas de hasta 600 grados Celsius. Si se incorpora a un implante médico, la pila de combustible podría permanecer estable a través del proceso de esterilización a alta temperatura que requieren todos los dispositivos implantables.

El corazón del nuevo dispositivo está hecho de cerámica, un material que conserva sus propiedades electroquímicas incluso a altas temperaturas y a escala miniatura. Los investigadores prevén que el nuevo diseño podría convertirse en películas o revestimientos ultrafinos y envolver los implantes para alimentar pasivamente la electrónica, utilizando el abundante suministro de glucosa del cuerpo.

"La glucosa está presente en todo el cuerpo, y la idea es recoger esta energía fácilmente disponible y utilizarla para alimentar dispositivos implantables", explica Philipp Simons, que desarrolló el diseño como parte de su tesis doctoral en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de los Materiales (DMSE) del MIT. "En nuestro trabajo mostramos una nueva electroquímica de pilas de combustible de glucosa".

"En lugar de utilizar una batería, que puede ocupar el 90 por ciento del volumen de un implante, se podría fabricar un dispositivo con una película fina, y se tendría una fuente de energía sin huella volumétrica", dice Jennifer L.M. Rupp, supervisora de la tesis de Simons y profesora visitante del DMSE, que también es profesora asociada de química de electrolitos en estado sólido en la Universidad Técnica de Múnich (Alemania).

Simons y sus colegas detallan su diseño hoy en la revista Advanced Materials. Entre los coautores del estudio se encuentran Rupp, Steven Schenk, Marco Gysel y Lorenz Olbrich.

Una separación "dura"

La inspiración para la nueva pila de combustible surgió en 2016, cuando Rupp, especializada en cerámica y dispositivos electroquímicos, fue a hacerse una prueba rutinaria de glucosa hacia el final de su embarazo.

"En la consulta del médico, me aburrí mucho con la electroquímica, pensando qué se podía hacer con el azúcar y la electroquímica", recuerda Rupp. "Entonces me di cuenta de que sería bueno tener un dispositivo de estado sólido alimentado por glucosa. Y Philipp y yo nos reunimos tomando un café y escribimos en una servilleta los primeros dibujos".

El equipo no es el primero en concebir una pila de combustible de glucosa, que se introdujo inicialmente en la década de 1960 y mostró potencial para convertir la energía química de la glucosa en energía eléctrica. Pero las pilas de combustible de glucosa se basaban entonces en polímeros blandos y fueron rápidamente eclipsadas por las baterías de yoduro de litio, que se convertirían en la fuente de energía estándar para los implantes médicos, sobre todo el marcapasos cardíaco.

Sin embargo, las baterías tienen un límite en cuanto a su tamaño, ya que su diseño requiere la capacidad física de almacenar energía.

"Las pilas de combustible convierten directamente la energía en lugar de almacenarla en un dispositivo, por lo que no se necesita todo ese volumen que se requiere para almacenar energía en una batería", afirma Rupp.

En los últimos años, los científicos han vuelto a estudiar las pilas de combustible de glucosa como fuentes de energía potencialmente más pequeñas, alimentadas directamente por la abundante glucosa del cuerpo.

El diseño básico de una pila de combustible de glucosa consta de tres capas: un ánodo superior, un electrolito intermedio y un cátodo inferior. El ánodo reacciona con la glucosa de los fluidos corporales, transformando el azúcar en ácido glucónico. Esta conversión electroquímica libera un par de protones y un par de electrones. El electrolito intermedio actúa para separar los protones de los electrones, conduciendo los protones a través de la pila de combustible, donde se combinan con el aire para formar moléculas de agua, un subproducto inofensivo que fluye con el fluido corporal. Mientras tanto, los electrones aislados fluyen hacia un circuito externo, donde pueden utilizarse para alimentar un dispositivo electrónico.

El equipo trató de mejorar los materiales y diseños existentes modificando la capa electrolítica, que suele estar hecha de polímeros. Pero las propiedades de los polímeros, junto con su capacidad para conducir protones, se degradan fácilmente a altas temperaturas, son difíciles de conservar cuando se reducen a la dimensión de los nanómetros y son difíciles de esterilizar. Los investigadores se preguntaron si una cerámica -un material resistente al calor que puede conducir protones de forma natural- podría convertirse en un electrolito para las pilas de combustible de glucosa.

"Cuando se piensa en la cerámica para una pila de combustible de este tipo, tiene la ventaja de la estabilidad a largo plazo, la pequeña escalabilidad y la integración del chip de silicio", señala Rupp. "Son duras y robustas".

Potencia máxima

Los investigadores diseñaron una pila de combustible de glucosa con un electrolito hecho de ceria, un material cerámico que posee una alta conductividad iónica, es mecánicamente robusto y, como tal, se utiliza ampliamente como electrolito en las pilas de combustible de hidrógeno. También se ha demostrado que es biocompatible.

"El cerio se estudia activamente en la comunidad de investigación sobre el cáncer", señala Simons. "También es similar a la zirconia, que se utiliza en los implantes dentales, y es biocompatible y segura".

El equipo colocó el electrolito con un ánodo y un cátodo de platino, un material estable que reacciona fácilmente con la glucosa. Fabricaron 150 pilas de combustible de glucosa individuales en un chip, cada una de ellas con un grosor de unos 400 nanómetros y una anchura de unos 300 micrómetros (aproximadamente la anchura de 30 cabellos humanos). Las células se colocaron en obleas de silicio, lo que demuestra que los dispositivos pueden combinarse con un material semiconductor común. A continuación, midieron la corriente producida por cada célula al hacer fluir una solución de glucosa sobre cada oblea en una estación de prueba fabricada a medida.

Descubrieron que muchas células producían un pico de tensión de unos 80 milivoltios. Dado el diminuto tamaño de cada célula, esta producción es la mayor densidad de potencia de cualquier diseño de célula de combustible de glucosa existente.

"Resulta emocionante que seamos capaces de obtener una potencia y una corriente suficientes para alimentar dispositivos implantables", afirma Simons.

"Es la primera vez que se puede utilizar la conducción de protones en materiales electrocerámicos para la conversión de glucosa en energía, definiendo un nuevo tipo de electroquímica", afirma Rupp. "Amplía los casos de uso de materiales de las pilas de combustible de hidrógeno a nuevos y emocionantes modos de conversión de glucosa".

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Escrito por Jennifer Chu, Oficina de Noticias del MIT

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