近日，來自美國亞利桑那州立大學(ArizonaStateUniversity)的姜漢卿教授研究團隊研發(fā)了一種完全由食物構(gòu)成的可食用超級電容器。該超級電容器不僅賦予了食品一個嶄新的定義和用途，還有望應用在人體中消滅有害細菌或為體內(nèi)電子設備供電。該成果已于5月17日發(fā)表在《AdvancedMaterialsTechnologies》。

當下，新型醫(yī)療科技廣泛應用于治療各種疾病。植入人體的電子設備也應運而生。但是接受移植的患者需要經(jīng)歷手術(shù)和術(shù)后并發(fā)癥的痛苦。盡管生物可降解的設備例如傳感器和有機晶體管等不需要手術(shù)取出，但依舊無法解決需要手術(shù)植入的問題。因此該團隊將目光著眼于人體的消化系統(tǒng)，開發(fā)了一款電子產(chǎn)品通過消化系統(tǒng)進入人體進行工作。

該團隊選取醫(yī)用活性炭作為電極的活性材料，該活性炭表面積高達1,400m2/g并且具有高電導率，是超級電容器非常理想的電極材料。雖然活性炭是一個已知的超級電容器的電極材料，但是用可食用的活性炭作為電極材料卻沒有被發(fā)現(xiàn)。蛋清因為富含蛋白質(zhì)，遇水后蛋白質(zhì)分子間形成大量氫鍵具有很高的粘性，可作為粘結(jié)劑與活性炭制作成電極材料。集流體通常采用導電性高的金屬如鋁、鎳等，但是這些金屬不可食用。

研究人員選用了蛋糕中可食用的裝飾金箔和銀箔作為集流體，在保證高導電率的同時也能被人體所食用。現(xiàn)在海苔不再只能做成壽司或者零食，在這個電容器中它作為隔膜存在。海苔具有多孔結(jié)構(gòu)并且電絕緣，因此它可以在為離子傳導提供通道的同時阻止兩個電極相互接觸形成短路。電解液需要提供離子在兩極間傳導，因此該團隊選擇了功能飲料和其他富含鈉、鉀離子的飲料作為電解液，并且成功嘗試了BBQ醬和果凍分別作為半固態(tài)和固態(tài)電解質(zhì)。超級電容器的封裝材料亦選取了可食用的產(chǎn)品——明膠。明膠可以做成膠囊或者果凍，但利用它可以高溫熔化的特性，可以作為超級電容器的封裝材料。凝膠糖果(Gummycandy)也用于封裝材料。為了防止封裝材料吸收電解液而溶解，該團隊采用奶酪片作為阻隔層。這里是所有用到的食物。

他們將活性炭(藥物級)、金箔(食品級)、海苔、蛋清、奶酪、食用明膠和功能飲料這幾種常見的食品飲料組合在一起，就得到了一個暫時儲存電能的高容量循環(huán)性能好的超級電容器。在1A/g電流下，首次放電容量可達78.8F/g，循環(huán)1000次后容量保留率高達92.3%。

亞利桑那州立大學機械工程專業(yè)教授姜漢卿表示：“我們相信食物可以有更多的用途，比如做成這種超級電容器。我們已經(jīng)成功用這種超級電容器殺死培養(yǎng)皿里的細菌，并且為一個微型攝像頭供電。它將以此方式為一個胃腸醫(yī)生提供所需要的幫助。”

這項研究解決了很多人體內(nèi)電子元器件面臨的問題。比如可移植電子產(chǎn)品需要手術(shù)才能將設備植入人體、體內(nèi)可降解的器件又有能量密度低和電池體積受限的問題，而可食用的合成材料有些會導致胃部不適。而這種超級電容器全部由市售食品組成，在發(fā)揮作用的同時不會對人體產(chǎn)生任何不利影響。

在胃酸模擬液中，該超級電容器可點亮LED燈4分鐘，一小時后完全被胃酸模擬液分解。

點亮LED

該團隊還應用了無線充電磁感應線圈為超級電容器進行充電，保證超級電容器的持續(xù)工作。

具有無線充電功能

此超級電容器還可以為一個5V，35mA的針孔攝像頭供電。

該超級電容器對磷酸鹽離子緩沖液中的E.coli大腸桿菌持續(xù)0.5-1mA低電流放電60分鐘，99.3%的細菌被殺死。效率遠超現(xiàn)在的抗生素。

展示在體外殺細菌

這項工作開啟了一個新的在人體內(nèi)應用電子設備的思路。文章發(fā)表在《AdvancedMaterialsTechnology》。主要研究成員包括王旭，許雯雯，和PrithwishChatterjee。

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