Kraft aus einem Herzen erzeugen

Forscher des Georgia Institute of Technology haben gezeigt, dass ein winziger, fast unsichtbarer Nanodraht die Energie pulsierender Muskeln im Körper einer Ratte in elektrischen Strom umwandeln kann. Ihr Nanogenerator könnte eines Tages zu medizinischen Implantaten und Sensoren führen, die durch Herzschlag oder Atmung betrieben werden.

Stromführender Draht: Ein einzelner Zinkoxid-Nanodraht kann am Herzen einer Ratte befestigt werden, wo er bei jedem Schlag elektrischen Strom erzeugt.

Zinkoxid-Nanodrähte zeigen den piezoelektrischen Effekt, der bei mechanischer Belastung Strom erzeugt. Georgia Tech-Professor für Materialwissenschaften und -technik Zhong Lin Wang und seine Gruppe demonstrierten diese Nanodraht-Generatoren erstmals im Jahr 2005. Seitdem haben sie Geräte hergestellt, die die Energie eines laufenden Hamsters und des Fingerklopfens nutzen können, und haben ihre piezoelektrischen Nanodrähte auch mit Solarzellen kombiniert.



In ihrer neuesten Arbeit, veröffentlicht in der Zeitschrift Fortgeschrittene Werkstoffe , Wangs Team zeigt, dass der Nanogenerator in einem lebenden Tier funktioniert. Die Forscher legten einen Zinkoxid-Nanodraht auf einem flexiblen Polymersubstrat ab und kapselten das Gerät in einem Polymergehäuse ein, um es vor Körperflüssigkeiten zu schützen. Es wurde dann am Zwerchfell einer Ratte befestigt. Die Atmung des Nagetiers dehnte den Nanodraht, und das Gerät erzeugte einen Strom von vier Pikoampere bei zwei Millivolt. An einem Rattenherz angebracht, lieferte das Gerät 30 Pikoampere bei drei Millivolt.

Zinkoxid-Nanogeneratoren wären eine ideale Stromquelle für Sensoren im Nanomaßstab, die den Blutdruck oder den Glukosespiegel überwachen und Krebs-Biomarker erkennen. Diese können mit niedrigen Leistungsstufen von etwa einem Mikrowatt betrieben werden, benötigen jedoch anstelle einer Batterie eine langlebige Stromquelle in Nanogröße, um wirklich im Nanobereich zu sein. Unser oberstes Ziel ist es, batterielose Nanogeräte für medizinische Anwendungen herzustellen, sagt Wang.

Die von den Geräten erzeugte Leistung im Femtowatt-Bereich ist derzeit viel zu niedrig, um praktikabel zu sein (Leistung = Strom x Spannung). Aber das soll sich bald ändern, sagt Zhang. Während die Forscher nur ein einzelnes Nanodraht-Gerät in einer Ratte getestet haben, haben sie auch ein Gerät gebaut, das Hunderte von Nanodrähten in einem Array integriert. Dieses Gerät, über das die Forscher kürzlich in der Zeitschrift berichteten Natur Nanotechnologie, ergibt einen Ausgangsstrom von etwa 100 Nanoampere bei 1,2 Volt, was eine Leistung von 0,12 Mikrowatt erzeugt. Wang sagt, dass der nächste Schritt darin besteht, diesen Nanogenerator mit höherer Leistung an einen Nanosensor im Inneren eines Tieres anzuschließen.

Es gibt bessere piezoelektrische Materialien als Zinkoxid-Nanodrähte und werden auch für biomedizinische Anwendungen in Betracht gezogen. Das effizienteste bekannte piezoelektrische Material ist PZT, eine Verbindung aus Blei, Zirkonium und Titan. Es ist zehnmal effizienter als Zinkoxid bei der Umwandlung von mechanischem Stress in elektrischen Strom, sagt Michael McAlpine , Professor für Maschinenbau an der Princeton University. Durch die Einbettung von PZT zwischen Silikonstücke hat er ein Material hergestellt, das 80 Prozent der beim Biegen aufgebrachten Energie aufnehmen kann. Wie Wang konzentriert er sich darauf, das Material zum Antrieb medizinischer Implantate zu verwenden.

Laut McAlpine liefert das Material 10 Nanowatt Leistung durch das Tippen mit dem menschlichen Finger. Größere Blätter könnten genug Strom erzeugen, um einen Herzschrittmacher aufzuladen, aber das Material wurde noch nicht an Tieren getestet. Hier könnte Zinkoxid gegenüber PZT einen Vorteil haben, da es biokompatibel ist. Das Blei in PZT würde erfordern, dass das Gerät robust in Silikon oder einem anderen biokompatiblen Polymer umhüllt wird.

Die größte Herausforderung für beide Materialien wird jedoch darin bestehen, höhere Leistungsabgaben zu erzielen, sagt McAlpine. Es ist erstaunlich, dass sie diese Geräte in diese Tiere implantieren und Strom herausholen konnten, sagt er. Aber wir müssen mit unseren Geräten noch weit gehen, um eine sinnvolle Leistung zu erzielen.

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