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Erste biokompatible Ionenstrom-Batterie : Ausgabe 19/2017, 16.11.2017

Neue Strategien und Ansätze für die moderne Medizintechnik

Experten von der University of Maryland (UMD) entwickelten einen total neuen Batterietyp, der biokompatibel ist. Die neue Batterie erzeugt die gleiche ionenbasierende elektrische Energie, die die Menschen und alle anderen Lebewesen zum Leben gebrauchen.

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent

Bilder: Nature Communications

In unseren Körpern befinden sich fliessende Ionen wie Natrium, Kalium und andere Elektrolyte, die elektrische Signale erzeugen, die unter anderem das Gehirn versorgen, den Herzrhythmus steuern und die Muskelbewegungen kontrollieren.

In herkömmlichen Batterien fliesst die elektrische Energie oder der Strom in Form von sich bewegenden Elektronen. Dieser Elektronenstrom aus der Batterie heraus wird in der Batterie erzeugt, und zwar durch die Bewegung von positiven Ionen von einem Batterieende (Elektrode) zum anderen.

Ionen fliessen bei der ionischen Batterie durch Grasfasern

Die neue UMD-Batterie macht es genau umgekehrt. Sie bewegt Elektronen in der Batterie herum, um Energie in Form eines Ionenflusses zu liefern. Damit war eine ionische stromerzeugende Batterie erfunden. «Meine Absicht ist es, ionische Systeme mit menschlichen Systemen zu verbinden», sagte Professor Liangbing Hu, Leiter der Forschergruppe, die die neue Batterie entwickelte.

«Damit müssen die Ionen durch die externen ionischen Kabel fliessen. In unserem Fall können die Ionen in den ionischen Kabeln – es sind Grasfasern – mit lebenden Systemen Kontakt aufnehmen.» Der Forschungsbericht erschien in «Nature Communications».

Krankheiten lindern oder verhindern

«Zu den potenziellen Applikationen könnte zum Beispiel die Entwicklung von Komponenten gehören, die neuronale Aktivitäten und Interaktionen mikromanipulieren, die somit verschiedene Krankheiten verhindern oder aber zumindest lindern können», sagte Dr. Jianhua Zhang, Wissenschaftler am National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases (NIDDK), das zu den National Institutes of Health in Bethesda, Md., gehört.

Da lebende Zellen mit ionischen Strömen funktionieren und vorhandene Batterien einen elektronischen Strom liefern, versuchten Wissenschaftler in der Vergangenheit, eine Biokompatibilität zwischen diesen beiden zu entwickeln, und zwar durch eine Verkopplung. Das Problem hierfür besteht darin, dass der elektrische Strom eine bestimmte Spannung erreichen muss, um über die Lücke zwischen den elektronischen Systemen und den ionischen Systemen zu springen.

Ionische Batterien funktionieren mit jeder Spannung

In lebenden Systemen fliessen die ionischen Ströme jedoch mit einer sehr geringen Spannung. Mit einer elektronisch-ionischen Kopplung würde der induzierte Strom jedoch viel zu hoch sein, um zum Beispiel ein Gehirn oder einen Muskel anzusteuern. Die Lösung ist die Verwendung von ionischen Strombatterien, die mit jeder Spannung funktionieren könnten.

Die neue UMD-Batterie hat eine weitere ungewöhnliche Eigenschaft – sie verwendet Gras für die Energiespeicherung. Für die Herstellung der Batterie tränkte das Team Blätter des «Kentucky bluegrass» in einer Lithiumsalzlösung. Die Kanäle, die sonst Nährstoffe in den Grasblättern transportieren, sind ideale Behälter für die Lösung. Die Demonstrationsbatterie der Forscher sieht so aus, als ob zwei Glasröhren, mit je einem Grashalm innen, am oberen Ende mit einem dünnen Metalldraht verbunden sind.

Bewegung der Kupferionen belegen den Stromfluss

Durch den Draht wandern die Elektronen von einem Ende der Batterie zur anderen, während sich die gespeicherte Energie langsam entlädt. Am anderen Ende eines jeden Glases befindet sich eine Metallspitze, durch die der ionische Strom fliesst. Die Forscher bewiesen den fliessenden Ionenstrom durch die Verbindung der Batterieenden mit den Enden eines mit Lithium getränkten Baumwollstreifens, in dessen Mitte sich ein blau gefärbter Punkt aus Kupferionen befand. Weil sich das Kupfer im ionischen Strom befand, bewegte es sich entlang des Streifens in Richtung des negativ geladenen Pols – so wie es die Wissenschaftler vorausgesagt hatten. 

Artikel: 19_17.01.pdf

Infoservice

University of Maryland
College Park, MD 20742, USA
Tel. 001 301 405 10 00
www.umd.edu



Schema einer Elektronenbatterie für potenzielle biologische Anwendungen


Die intrinsischen Unterschiede zwischen der herkömmlichen Batterie und der Elektronen­batterie bei der Interaktion mit einem ionischen System