Электрическая батарейка от электрического угря

Принцип действия электрического органа электрических угрей можно повторить в искусственном аналоге.

Исследователи из Мичиганского и Фрибурского университетов сообщают в своей статье в Nature, что им удалось сконструировать источник тока, работающий по тому же принципу, что и электрический орган электрического угря. У угрей электрические органы состоят из множества клеток, через которые проходит поток положительных ионов калия и натрия; в результате у каждой клетки появляется положительно заряженный полюс (направленный к голове рыбы) и отрицательно заряженный полюс (направленный к хвосту). В каждой клетке создается напряжение около 150 милливольт, но все вместе, уложенные друг за другом, подобно батарейкам, они генерируют сотни и сотни вольт.

Нечто похожее сделали Майкл Майер (Michael Mayer) и его коллеги. Вместо живых клеток они использовали ячейки, заполненные гидрогелем-полимером, удерживающим воду. Гидрогель в ячейках удерживает либо чистую воду, либо воду с солями, распадающимися в растворе на положительные и отрицательные ионы. Стенки ячеек сделаны из полупроницаемой мембраны, которая пропускает эти ионы туда и обратно. Когда ячейки соприкасаются друг с другом, ионы в них начинают двигаться в разные стороны, и возникает электрическое напряжение.

Гидрогели в ячейках отличаются по собственному составу и по составу растворов, которые они удерживают; если сравнивать с электрическими клетками угрей, то одной клетке соответствуют четыре ячейки (на фото они обозначены разными цветами). Один блок из четырёх ячеек дает от 130 до 185 милливольт, в эксперименте удалось сделать большую «батарейку» из нескольких сотен ячеек, которые в сумме давали 110 вольт.

Но главная хитрость здесь в том, как батарейку заставляли работать. Искусственные электрические клетки в одном случае распределили между двумя эластичными полимерными листами: накладывая листы друг на друга, ячейки можно было совместить в нужном порядке (как на фото 2). В другом варианте их всех помещали на один и тот же лист, но так, чтобы их можно было совместить, сложив лист несколько раз (как на фото 3). Когда оба листа сжимали, или когда сдавливали сложенный лист, возникал контакт сразу между всеми ячейками – и всех ячейки работали одновременно.

Предполагается, что подобные батарейки можно будет использовать для питания различных биомедицинских устройств, и, более того, что такие батарейки смогут использовать естественную заряженность некоторых внутренних тканей и органов. «Угреподобные» аккумуляторы более гибкие и их проще сделать биосовместимыми, чтобы они не раздражали живые клетки. Проблема, однако, в том, что пока напряжение, которое они дают, не очень велико, хотя авторы изобретения полагают, что в ближайшем времени им удастся приблизить батареи по эффективности к настоящим электрическим угрям.