Bedenimizdeki Şekeri Kullanarak Elektrik Üretmek Mümkün

Yazan: Jennifer Chu

Çeviren: Ümit Sözbilir

Düzenleyen: Esranur Maral & Çisem Özge Biçer

Özet: MIT araştırmacıları tarafından yapılan yeni bir çalışma sayesinde bedenimizdeki glikozu elektriğe dönüştürmek mümkün olabilir. Ön tasarımı yapılan cihaz üretim maliyeti olarak ucuz olup yüksek sıcaklıklarda çalışabilme yeteneği ve vücut ile uyumlu olması ile öne çıkıyor.

Giriş

Vücudumuzdaki her hücrenin yakıtı olan glikoz, geleceğin tıbbi ekitlerine (implant) güç verebilir mi?

MIT ve Münih Teknik Üniversitesindeki mühendisler bunun böyle olabileceğini düşünmektedir. Bu yüzden glikozu doğrudan elektriğe dönüştüren yeni bir tür glikoz yakıt hücresi tasarladılar. Yapılan cihaz, sadece 400 nm kalınlığında (insan saçının 1/100’ü çapı kadar) olup daha önceki glikoz yakıt hücrelerinden daha küçüktür. Glikozu güç kaynağı olarak kullanan bu cihaz ortam koşullarında bugüne kadar herhangi bir glikoz yakıt hücresinin en yüksek güç yoğunluğunu elde ederek santimetre kare başına yaklaşık 43 mW elektrik üretti. Bu cihaz çok esnek olmakla birlikte 600 °C sıcaklığa kadar dayanabilmektedir. Bütün vücuda yerleştirilebilen cihazlar çok yüksek sıcaklıklarda arınıklaştırmaya tabi tutulduklarından dolayı bu yeni yakıt hücresi kullanılarak yapılacak olan bir tıbbi ekit herhangi bir hasara uğramayabilir.

Yeni cihazın kalbini oluşturan yapı, yüksek sıcaklıklarda ve çok küçük ölçeklerde bile elektrokimyasal özelliklerini koruyan özel bir malzemeden üretilmiştir. Araştırmacılar, yeni tasarımın ultra ince filmlere veya kaplamalara dönüştürülebileceğini ve ekitlerin etrafına sarılabileceğini düşünüyorlar. Böylece vücudun bol miktarda glikoz kaynağı kullanarak elektroniklere edilgen olarak güç sağlayabileceği fikri ortaya çıkıyor.

MIT Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümünde (DMSE, Department of Materials Science and Engineering) doktora tezinin bir parçası olarak tasarımı geliştiren Philipp Simons, “Glikoz vücudun her yerinde bulunmaktadır. Planımız ise bu hazır enerjiyi toplayıp vücuda yerleştirilebilir cihazlara güç sağlamak için kullanmaktır. Çalışmamızda yeni bir glikoz yakıt hücresi elektrokimyası gösteriyoruz.” diyor.

Simons’un tez danışmanı ve aynı zamanda Almanya’daki Münih Teknik Üniversitesinde katı hal elektrolit kimyası doçenti olup şu anda da DMSE’de misafir profesör olan Jennifer L. M. Rupp, “Bir ekitin hacminin %90’ını kaplayabilen pil kullanmak yerine ince filmli bir cihaz yapabilir ve hacimsel ayak izi olmayan bir güç kaynağına sahip olabilirsiniz.” diyor.

Simons ve meslektaşları, Advanced Materials dergisine verdikleri demeçte tasarımlarının detaylarını anlatmaktadırlar. Çalışmanın ortak yazarları arasında Rupp, Steven Schenk, Marco Gysel ve Lorenz Olbrich de yer almaktadır.

“Sert” Bir Ayrım

Yeni yakıt hücresinin ilk düşüncesi, 2016 yılında seramik ve elektrokimyasal cihazlarda uzman olan Rupp’un hamileliğinin sonlarına doğru rutin bir glikoz testi yaptırmaya gittiği zaman ortaya çıkmıştır.

Rupp, “Doktorun ofisinde, şeker ve elektrokimya ile neler yapılabileceğini düşünen çok sıkılmış bir elektrokimyagerdim. Sonra anladım ki glikozla çalışan bir katı hal cihazına sahip olmak iyi olurdu. Philipp ve ben kahve içerken buluştuk ve ilk düşüncelerimizi bir peçeteye yazdık.” diye aktarıyor.

Bu konu hakkında yapılan çalışma bilim dünyasında yapılmış ilk çalışma değildir. 1960’larda tanıtılan ve glikozun kimyasal enerjisini elektrik enerjisine dönüştürme potansiyeli gösteren bir glikoz yakıt hücresi tasarlanmıştı. Ancak o zamanlar glikoz yakıt hücreleri, yumuşak çoğuzlar ile yapılmaktaydı ve ekitler, özellikle de kalp pili için standart güç kaynağı hâline gelecek olan lityum iyodür piller tarafından hızla gölgede bırakıldı. Bununla birlikte tasarımları enerji depolamak için fiziksel kapasiteye ihtiyaç duyduğundan, pillerin ne kadar küçük yapılabileceği konusunda bir sınır bulunmaktadır. Rupp, “Yakıt hücreleri, enerjiyi bir cihazda depolamak yerine doğrudan dönüştürür, bu nedenle bir pilde enerji depolamak için gereken tüm hacme ihtiyacınız olmaz.” diyor.

Son yıllarda bilim insanları, doğrudan vücuttaki glikozun büyük bir kısmını yakıt olarak kullanan ve potansiyel olarak çok daha küçük güç kaynakları olabilecek glikoz yakıt hücreleriyle ilgili çalışmalara tekrar yoğunlaştılar.

Bir glikoz yakıt hücresinin temel tasarımı üç katmandan oluşmaktadır; üst anot, orta elektrolit ve alt katot. Anot, vücut sıvılarında glikoz ile tepkimeye girerek şekeri glikonik aside dönüştürmektedir. Bu elektrokimyasal dönüşüm, bir çift proton ve bir çift elektron salmaktadır. Orta elektrolit, protonları elektronlardan ayırarak protonları yakıt hücresinden geçirir ve burada hava ile birleşerek su moleküllerini oluşturur. Bu su molekülleri vücut sıvısıyla birlikte akan zararsız bir yan üründür. Bu arada, yalıtılmış olan elektronlar elektronik cihaza güç sağlamak için kullanılabilecekleri bir haricî devreye doğru akar.

Ekip, genellikle polimerlerden yapılan elektrolit katmanını değiştirerek mevcut malzemeleri ve tasarımları iyileştirmeye çalıştı. Ancak polimer özellikleri, protonları iletme yetenekleriyle birlikte yüksek sıcaklıklarda kolayca bozulur. Bunun dışında nanometre boyutuna küçültüldüğünde muhafaza ve arınıklaştırılması zordur. Araştırmacılar, bir seramiğin glikoz yakıt hücreleri için elektrolit hâline getirilip getirilemeyeceğini merak ettiler. Bu da doğal olarak protonları iletebilen ve sıcaklığa dayanıklı bir malzeme olmalıdır. Rupp, “Böyle bir glikoz yakıt hücresi için seramikleri düşündüğünüzde; uzun vadeli dayanıklılık, küçük ölçeklenebilirlik ve silikon yonga bütünleşmesi avantajlarına sahip olduklarını görüyoruz. Bunun dışında yapıları sert ve sağlamdır.” diye belirtiyor.

Gücün Zirvesi

Araştırmacılar, yüksek iyon iletkenliğine sahip, yapısal olarak sağlam ve bu nedenle hidrojen yakıt hücrelerinde elektrolit olarak yaygın bir şekilde kullanılan, seramik bir malzeme olan seryumdan yapılmış elektrolit içeren bir glikoz yakıt hücresi tasarladılar. Bu tasarımın ayrıca vücut tarafından reddedilmediği de gösterilmiş olup Simons yaptığı açıklamada “Seryum, kanser araştırma topluluğunda etkin olarak çalışılıyor. Ayrıca diş ekitlerinde kullanılan zirkonyuma da benzemekle beraber vücut tarafından reddedilmez ve güvenlidir.” diyor.

Araştırma ekibi elektroliti, platinden yapılmış bir anot ve katot yüzey arasına yerleştirdi. Tasarım seçiminin sebebi ise glikoz ile kolayca etkileşime girebiliyor olmasıdır. Bu yöntemle her biri yaklaşık 400 nanometre kalınlığında ve yaklaşık 300 μm genişliğindeki (yani yaklaşık 30 insan saçı) bir yonga üzerinde 150 ayrı glikoz yakıt hücresi ürettiler. Daha sonrasında ise hücreleri silikon düzlemler üzerine modelleyerek cihazların ortak bir yarı iletken malzeme ile eşleştirilebileceğini gösterdiler ve özel olarak üretilmiş bir deneme istasyonunda sınadılar. Sınama esnasında her bir düzlem üzerinde glikoz çözeltisi akıtıp her hücre tarafından üretilen akımı ölçtüler.

Yapılan birçok hücrenin yaklaşık 80 mV bir tepe voltajı ürettiği bulundu. Bu sonuç, her hücrenin küçük boyutu göz önüne alındığında mevcut herhangi bir glikoz yakıt hücresi tasarımının en yüksek güç yoğunluğudur. Konuyla ilgili Simons, “Heyecan verici bir şekilde vücuda yerleştirilebilir cihazlara güç sağlamak için yeterli güç ve akım çekebiliyoruz.” diyor.

Rupp çalışmanın önemine değindiği cümlesinde, “Elektroseramik malzemelerdeki proton iletiminin ilk kez glikozdan güce dönüşümü için kullanılabilmesi, yeni bir elektrokimya türü tanımlıyor. Bu da malzeme kullanım durumlarını hidrojen yakıt hücrelerinden yeni, heyecan verici glikoz dönüşüm yöntemlerine kadar genişletiyor.” dedi.

Norveç’teki Oslo Üniversitesinde kimya profesörü olan ve çalışmaya katkıda bulunmayan Truls Norby, araştırmacıların “yerleştirilmiş duyaçlar ve belki başka işlevler için çok küçük güç kaynaklarına yeni bir yol açtığını” belirtip düşüncelerini açıklıyor, “Kullanılan seramikler ağulu olmayıp ucuzdur ve hem vücuttaki koşullara hem de ekit yerleştirimi öncesi arınıklaştırma koşullarına karşı uygundur. Şimdiye kadarki genel düşünce ve gösterim gerçekten umut verici.”.