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Un nanocable que da vida: Un nanocable de óxido de zinc se puede conectar al corazón de una rata, donde producecorriente eléctrica al doblarse con cada latido. |
Generando electricidad con un corazón
Unos nuevos generadores de nanocables podrían permitir en el futuro la creación de dispositivos médicos alimentados por el corazón del propio paciente.
Fuente: Guang Zhu, Georgia Tech
Un minúsculo, casi invisible nanocable puede convertir la energía de los pulsos y las flexiones de los músculos del cuerpo de una rata en corriente eléctrica, tal como ha demostrado un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia. Su nanogenerador podría permitir en un futuro unos nuevos implantes y sensores médicos alimentados por los latidos del corazón o por la respiración.
Los nanocables de óxido de zinc responden al efecto piezoeléctrico, produciendo electricidad cuando son sometidos a un estrés mecánico. El profesor de ciencia e ingeniería de materiales Zhong Lin Wang del Georgia Tech Zhong y su grupo mostraron por primera vez estos generadores de nanocables en 2005. Desde entonces han fabricado unos dispositivos que pueden aprovechar la energía de un hámster corriendo y también la de los dedos en movimiento. Además, han combinado sus nanocables piezoeléctricos con células solares.
En su último trabajo, publicado en la revista Advanced Materials, el equipo de Wang muestra que el nanogenerador funciona dentro de un animal vivo. Los investigadores colocaron un nanocable de óxido de zinc en un sustrato de polímero flexible y encapsularon el dispositivo en una carcasa de polímero para protegerlo de los líquidos corporales. A continuación, se implantó en el diafragma de una rata. La respiración del roedor flexionaba el nanocable, y el dispositivo generó cuatro picoamperes de corriente a dos milivoltios. Cuando se conectó al corazón de una rata, el dispositivo dio 30 picoamperes a tres milivoltios.
Los nanogeneradores de óxido de zinc podrían ser una fuente de energía ideal para los sensores a nanoescala que controlan la presión arterial o los niveles de glucosa y que detectan los biomarcadores del cáncer. Éstos pueden funcionar con bajos niveles de potencia de alrededor de un microvatio, pero necesitan una fuente de energía de larga duración de escala nano, en vez de una pila para ser verdaderamente de escala nano. "Nuestro objetivo final es fabricar dispositivos a escala nano autoalimentados para aplicaciones médicas", afirma Wang.
La escala de femtovatios de energía generada por estos dispositivos es demasiado baja para que sean prácticos en la actualidad (potencia = corriente x voltaje). Sin embargo, eso podría cambiar en breve, señala Zhang. Si bien los investigadores sólo han probado un dispositivo de un solo nanocable individuales dentro de una rata, también han construido un dispositivo que integra cientos de nanocables en una matriz.
Este dispositivo, que los investigadores han publicado recientemente en la revista Nature Nanotechnology, ofrece una salida de corriente de 100 voltios a 1,2 nanoamperios, produciendo 0,12 microvatios de electricidad. Wang dice que el paso siguiente es conectar este nanogenerador de mayor salida a un nanosensor dentro del animal.
También se están considerando las aplicaciones biomédicas de mejores materiales piezoeléctricos ya existentes que los nanocables de óxido de zinc. El material piezoeléctrico más eficiente conocido es el PZT, un compuesto de plomo, zirconio y titanio. Éste es 10 veces más eficiente que el óxido de zinc en la conversión de la tensión mecánica en corriente eléctrica, señala Michael McAlpine, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Princeton. Intercalando PZT entre unas piezas de silicona, él ha fabricado un material que puede cosechar el 80 por ciento de la energía aplicada cuando éstas son flexionadas. Al igual que Wang, él también tiene como objetivo el uso del material para alimentar implantes médicos.
McAlpine afirma que este material genera 10 nanovatios de energía del movimiento de un dedo humano. Unas matrices más grandes podrían generar suficiente energía para alimentar un marcapasos, pero su material aún no ha sido probado en animales. En este sentido, el óxido de zinc podría tener una ventaja sobre el PZT porque es biocompatible. El plomo en el PZT requeriría que el dispositivo fuera fuertemente recubierto de silicona u otro polímero biocompatible.
El mayor reto para ambos materiales, sin embargo, será cada obtener una mayor potencia de salida, señala McAlpine. "Es asombroso que pudieran implantar sus dispositivos en estos animales y consiguieran obtener electricidad," afirma él. "Sin embargo, todavía nos queda mucho camino por recorrer para obtener una potencia significativa con nuestros dispositivos".
Fuente: Guang Zhu, Georgia Tech
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