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标题: 世界首个“离子电流”电池问世：生物相容性良好！ [打印本页]
作者: guolvfenlitech6 时间: 2017-12-11 10:50
标题: 世界首个“离子电流”电池问世：生物相容性良好！
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2017-12-11 环球过滤分离技术网
最近，美国马里兰大学的工程师们发明了一种具有生物相容性的全新电池。这种离子电流电池能够产生出基于离子的电能，它与人类和其他生物系统所用的电能属于同一种类型。
关键字
背景
在我们的身体中，流动的离子（钠、钾和其他电解质）所形成的电信号，不仅能够为大脑提供能量，还可以控制心率和肌肉运动等等。也就是说，生物系统的细胞运作需要离子电流。
可是在传统电池中，电能或者电流都是以电子运动的形式流动。传统电池产生的电流，是在电池内部，将阳离子从电池的一端（电极）移动到另外一端，而在电池的外部只能以提供“电子形式的电流”。
创新
然而，美国马里兰大学进行独到的创新研究，发明了一种新型电池，也称为“电子电池”。它的工作方式恰恰相反：它在电池内部移动电子，而在外部以离子流动的形式传递能量。这也是科学家们首次发明一种产生离子电流的电池。
（图片来源：参考资料【2】）
对此，电池开发小组的领头人、马里兰大学学院市分校的材料科学教授 Liangbing Hu 介绍说：
“我的发明是与人类系统交互的离子系统，所以我提出了反向的电池设计。在传统的电池中，电子通过电线流动，与电子设备交互，而离子流过电池隔板。在我们的反向设计中，传统的电池被通过电子方式短路（这意味着电子流过金属线）。然后，离子必需流过外部的离子电线。在这个方案中，离子线（这里是指草纤维）中的离子，能与生物系统产生交互。”
以下是研究人员论文中的一张图，它更直观地阐明了这个设计理念：
(a) 传统电池（左）和电池电池（右）。对于传统电池来说，阳极和阴极由离子介质分开，离子通过这种介质扩散，而电子则通过外部电路传输；对于电子电池来说，电子介质用于在电池内部传导电子，而离子则通过外部电路传输。
(b) 电流-电压曲线的插图，分别代表了传统电池和电子电池和离子系统交互的情况。电气电极的曲线显示，电化学反应发生的地方有一个起始电压(VE)。离子电极的运行情况则不同（遵循欧姆定律），电流随电压线性变化。
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（图片来源：参考资料【2】）
Hu 与其同事们的相关研究于7月24日，发表在《自然通信》刊物上。
技术
之前，科学家们一直在尝试搞清楚这个问题：如何让电池与生物系统具有相容性？
他们尝试将电子电流转化为离子电流，可是这种方案存在一个问题：电子电流需要达到一定的电压，才能逾越电子系统和离子系统之间的鸿沟。可是在生物系统中，离子电流需要在非常低的电压条件下流动。那么，通过一个“补丁”将电子转化为离子，感应电流会太高以至无法满足运行需求，特别是对于大脑和肌肉而言。然而这个问题可以通过离子电流电池来消除，它可以在任意电压下运行。
马里兰大学设计的新型电池具有另外一项不同寻常的功能，它使用草来存储能量。团队为了制造这种电池，将肯塔基蓝草叶片浸泡在锂盐溶液中。这些在草叶中来回运输营养物质的通道，便是容纳溶液的理想管道。
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（图片来源：参考资料【2】）
研究团队设计了一种用于演示的电池，它看上去就像两个内部具有一片草叶的玻璃管，每个玻璃管的顶部都连接着一根金属细线。随着存储的电能缓慢释放，这根线就成了电子从电池的一端流向另外一端的通道。每个玻璃管的另外一端是一个金属锥尖，离子电流会流过它。
研究人员证明，将电池的两端与浸泡在锂盐溶液中的棉绳的任意一端相接触，中间会有一个染成蓝色的铜离子，离子电流便形成了。在离子电流中，铜离子沿着绳子向着带负电荷的电极移动，这与研究人员的预测一致。
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片来源：参考资料【2】）
马里兰大学学院市分校材料科学和工程系的研究生、论文的第一作者 Chengwei Wang 称：
“草中的这些微管道能够容纳盐溶液，让它们成为稳定的离子导体。”
然而，团队计划对他们能够创造的离子电流电池的类型进行多样化。Wang
说：
“我们计划通过纤维素、水凝胶和聚合物，开发多种离子导体。”
价值
这并不是马里兰大学的科学家们首次测试天然材料的新用途。Hu 和他的团队之前一直在研究用于电子电池的纤维素和植物材料，通过木材创造出新型电池和超级电容，以及通过树叶创造出新型电池。他们也将使用透明木材作为玻璃窗户更加节能的替代品。
加州大学圣迭戈分校纳米工程的副教授Ping Liu，他并没有参与这项研究，他评论说：
“这项研究非常具有创造性，它的主要价值就是为生物系统提供离子流，并且不给它们带来其他危险。最后，这项研究的影响真正在于，无论能否找到更小且生物兼容性更强的连接材料，细胞和组织的接口都将变得更加直接和高效。”
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（图片来源：参考资料【2】）
研究小组成员、位于马里兰州贝塞斯达的国家卫生研究院的一部分：国家糖尿病、消化和肾脏疾病研究所（NIDDK）的在职科学家 Jianhua Zhang 博士说：
“可能的应用包括开发下一代的设备，用于神经元活动和交互的微操作，从而防止（和/或）治疗这种类型的医疗问题，例如阿尔茨海默氏症和抑郁症。”
Zhang 博士负责进行生物实验，测试新型电池是否能够成功的将电流传输至细胞。他说：
“这种电池可用于研究和临床环境，开发残疾人医疗设备，或者作为更加有效的药物和基因传递工具，成为一种精准治疗癌症或者其他内科疾病的方法。”
“展望科研领域，还有一个希望就是，这项发明将帮助建立起药物和人类直接通信的可能性。”
参考资料
来源于：网络整理
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