Химия

Испанские и аргентинские ученые разработали элемент питания, в котором в качестве проводника электрохимических реакций используется гемоглобин. Такая батарея работает несколько недель, ее можно применять в имплантируемых устройствах.

Гемоглобин — белок, который содержится в клетках крови (эритроцитах) и выполняет в организме важную функцию: доставляет кислород от легких к тканям, а обратно в легкие уносит углекислый газ. Многие ученые давно считают, что из-за своих свойств гемоглобин можно использовать в разработке электрохимических элементов питания, в которых кислород играет ключевую роль.

В 2017 году исследователи из Оксфордского университета (Великобритания) провели серию экспериментов с гемоглобином и выяснили, что он хорошо подходит для окислительно-восстановительных процессов (или редокс-реакций), посредством которых химическая энергия трансформируется в электрическую.

Тогда же некоторые специалисты предположили, что этот жизненно важный белок может подойти для создания воздушно-цинковых батарей. Во время работы такие элементы питания используют в качестве катода кислород, поглощаемый из воздуха, а в качестве анода — порошок цинка.

Группа ученых из Национального университета Кордовы (Аргентина) и Политехнического университета Картахены (Испания) попыталась воплотить эту идею в жизнь. И у них получилось. Химики разработали первую биосовместимую воздушно-цинковую батарею, где в электрохимической реакции, преобразующей химическую энергию в электрическую, участвует гемоглобин. Важно отметить, что устройство не причиняет вреда здоровью. Результаты работы опубликованы в журнале Energy & Fuels.

В такой батарее белок крови играет роль катализатора, он отвечает за реакцию восстановления кислорода, которая выступает ключевым процессом в электрохимических устройствах для преобразования и хранения энергии. Во время этой реакции после попадания воздуха в батарею кислород участвует в реакции, в итоге которой образуется вода. После чего высвобождаются электроны, которые затем «переходят» к цинковому аноду, где происходит реакция окисления цинка.

«Чтобы катализатор хорошо работал, он должен обладать двумя свойствами: быстро поглощать молекулы кислорода и относительно легко образовывать молекулы воды. Гемоглобин полностью отвечает этим требованиям», — пояснил Мануэль Луна (Manuel Luna), один из авторов исследования.

По словам ученого, прототип батареи, созданный его командой, работал с 0,165 миллиграмма гемоглобина в течение 20-30 дней. Такие элементы питания более устойчивы к неблагоприятным условиям окружающей среды, в отличие от остальных аккумуляторов, что позволит безопасно использовать их в кардиостимуляторах и других вживляемых в организм приборах.

Исследователи отметили, что главный минус их разработки — ее невозможно перезарядить. Чтобы устранить этот недостаток, необходимо подобрать еще один биологический белок, который будет преобразовывать воду обратно в кислород, над чем сейчас и трудятся ученые. Новое устройство можно использовать только в кислородной среде, в космосе оно работать не будет.