Générer de l'énergie à partir d'un cœur

Un minuscule nanofil presque invisible peut convertir l'énergie des muscles pulsés et fléchissants à l'intérieur du corps d'un rat en courant électrique, ont montré des chercheurs du Georgia Institute of Technology. Leur nanogénérateur pourrait un jour conduire à des implants médicaux et à des capteurs alimentés par les battements cardiaques ou la respiration.

Fil sous tension : Un seul nanofil d'oxyde de zinc peut être attaché au cœur d'un rat, où il produit du courant électrique en se pliant à chaque battement.

Les nanofils d'oxyde de zinc montrent l'effet piézoélectrique, produisant de l'électricité lorsqu'ils sont soumis à des contraintes mécaniques. Georgia Tech professeur de science et d'ingénierie des matériaux Zhong Lin Wang et son groupe a fait la première démonstration de ces générateurs de nanofils en 2005. Depuis lors, ils ont fabriqué des dispositifs capables d'exploiter l'énergie d'un hamster en train de courir et de taper des doigts, et ont également combiné leurs nanofils piézoélectriques avec des cellules solaires.

Dans leur dernier ouvrage, publié dans la revue Matériaux avancés , L'équipe de Wang montre que le nanogénérateur fonctionne à l'intérieur d'un animal vivant. Les chercheurs ont déposé un nanofil d'oxyde de zinc sur un substrat polymère flexible et ont encapsulé le dispositif dans un boîtier en polymère pour le protéger des fluides corporels. Il a ensuite été attaché au diaphragme d'un rat. La respiration du rongeur a étiré le nanofil et l'appareil a généré quatre picoampères de courant à deux millivolts. Lorsqu'il est attaché au cœur d'un rat, l'appareil a donné 30 picoampères à trois millivolts.

Les nanogénérateurs d'oxyde de zinc seraient une source d'alimentation idéale pour les capteurs à l'échelle nanométrique qui surveillent la pression artérielle ou les niveaux de glucose et détectent les biomarqueurs du cancer. Ceux-ci peuvent fonctionner à de faibles niveaux de puissance d'environ un microwatt, mais ils ont besoin d'une source d'alimentation nanométrique de longue durée au lieu d'une batterie pour être vraiment à l'échelle nanométrique. Notre objectif ultime est de fabriquer des nano-dispositifs auto-alimentés pour des applications médicales, explique Wang.

L'échelle femtowatt de puissance générée par les appareils est beaucoup trop basse pour être pratique en ce moment (puissance = courant x tension). Mais cela devrait changer bientôt, dit Zhang. Alors que les chercheurs n'ont testé qu'un seul dispositif à nanofils à l'intérieur d'un rat, ils ont également construit un dispositif qui intègre des centaines de nanofils dans un réseau. Cet appareil, que les chercheurs ont récemment rapporté dans la revue Nanotechnologie naturelle, donne un courant de sortie d'environ 100 nanoampères à 1,2 volts, produisant 0,12 microwatts de puissance. Wang dit que la prochaine étape consiste à connecter ce nanogénérateur à plus haut rendement à un nanocapteur à l'intérieur d'un animal.

De meilleurs matériaux piézoélectriques que les nanofils d'oxyde de zinc existent et sont également envisagés pour des applications biomédicales. Le matériau piézoélectrique le plus efficace connu est le PZT, un composé de plomb, de zirconium et de titane. Il est 10 fois plus efficace que l'oxyde de zinc pour convertir les contraintes mécaniques en courant électrique, selon Michael McAlpine , professeur de génie mécanique à l'Université de Princeton. En intercalant du PZT entre des pièces en silicone, il a fabriqué un matériau capable de récupérer 80 % de l'énergie appliquée lorsqu'il est fléchi. Comme Wang, il se concentre sur l'utilisation du matériau pour alimenter les implants médicaux.

McAlpine dit que le matériau donne 10 nanowatts de puissance en tapant du doigt humain. Des feuilles plus grandes pourraient générer suffisamment d'énergie pour charger un stimulateur cardiaque, mais le matériau n'a pas encore été testé sur des animaux. Ici, l'oxyde de zinc pourrait avoir un avantage sur le PZT car il est biocompatible. Le plomb dans le PZT exigerait que le dispositif soit solidement enrobé de silicone ou d'un autre polymère biocompatible.

Le plus grand défi pour les deux matériaux, cependant, sera d'obtenir des puissances de sortie plus élevées, dit McAlpine. C'est incroyable qu'ils puissent implanter ces dispositifs dans ces animaux et couper le courant, dit-il. Mais nous devons encore aller loin avec nos appareils pour obtenir une puissance de sortie significative.

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