I ricercatori hanno sviluppato la prima cella a biocombustibile completamente funzionale i cui biocatalizzatori (enzimi che svolgono un ruolo fondamentale nella generazione di energia) si autoassemblano direttamente sugli elettrodi. In circa 5 minuti, gli ibridi enzima-nanoparticelle aggiunti a una soluzione di celle a biocombustibile si legano selettivamente all'anodo o al catodo, e così facendo formano i componenti chiave della cella a biocombustibile.

I ricercatori, guidato da Andreas Stemmer, insieme ad Alexander Trifonov e Ran Tel-Vered, tutto al Nanotechnology Group dell'ETH di Zurigo, hanno pubblicato un articolo sulle celle a biocombustibile autoassemblate in un recente numero di ACS Nano .

"Abbiamo dimostrato una cella a biocarburante autoassemblata che fornisce la generazione di energia su richiesta che può essere accesa e spenta da un campo magnetico, " ha detto Trifonov Phys.org . "Il sistema consente inoltre di riutilizzare più volte gli elettrodi con la sola sostituzione degli elementi attivi".

Negli ultimi anni, i metodi di autoassemblaggio sono stati studiati come strumento per fabbricare una varietà di strutture su nanoscala, che hanno potenziali applicazioni nelle celle a combustibile, batterie, e altri dispositivi di accumulo e generazione di energia. In autoassemblaggio, una delle strategie più comuni consiste nell'utilizzare campi di forza (elettrici, magnetico, ecc.) per rendere alcune regioni energeticamente più favorevoli alle nanoparticelle, guidandoli ad aggregarsi in queste regioni. Finora, però, una cella a biocombustibile completamente funzionante non è stata ancora formata utilizzando alcun tipo di metodo di autoassemblaggio diretto.

La cella a biocombustibile qui riportata è progettata per convertire fluidi contenenti fruttosio, come il succo d'uva, in energia elettrica. Per fare questo, la cellula utilizza gli enzimi come elemento attivo per rilasciare elettroni dallo zucchero (tramite ossidazione) nell'anodo. Quindi gli elettroni viaggiano attraverso un filo al catodo, generando una corrente elettrica. Al catodo, altri enzimi utilizzano gli elettroni (per riduzione, il contrario dell'ossidazione) e l'ossigeno presente nella soluzione per produrre acqua.

Una delle maggiori sfide per lo sviluppo dei biocarburanti è l'immobilizzazione degli enzimi catalizzatori di ossidazione e riduzione abbastanza vicino agli elettrodi per garantire che gli elettroni rilasciati dallo zucchero finiscano nel processo di riduzione dell'ossigeno. L'immobilizzazione è necessaria affinché i processi di ossidazione e riduzione avvengano contemporaneamente, consentendo il flusso di corrente continuo attraverso il filo. Se uno dei compartimenti della cella a biocombustibile (catodo o anodo) non funziona correttamente, l'intero processo si ferma.

È qui che il processo di autoassemblaggio diventa molto utile, poiché costringe entrambi i tipi di enzimi (catalizzatori ossidativi e catalizzatori riducenti) a legarsi strettamente all'elettrodo appropriato (anodo o catodo, rispettivamente). Gli enzimi vengono prima ibridati con nanoparticelle magnetiche rivestite di carbonio, che a loro volta sono attaccati a uno dei due tipi di ligandi, che sono molecole con particolari proprietà chimiche. Quando una miscela di questi ibridi enzima-nanoparticelle viene posta nella cella a biocombustibile, le reazioni tra i ligandi e gli elettrodi costringono le nanoparticelle enzimatiche catalizzatrici dell'ossidazione a legarsi all'anodo, mentre le nanoparticelle di enzimi catalizzatori di riduzione si legano al catodo. Ciò raggiunge l'obiettivo di immobilizzare gli enzimi all'elettrodo appropriato e consente processi di ossidazione e riduzione ininterrotti.

I ricercatori hanno anche dimostrato un'altra caratteristica potenzialmente utile del design:lo smontaggio. Poiché le nanoparticelle sono magnetiche, un campo magnetico applicato provoca il distacco delle nanoparticelle enzimatiche dagli elettrodi, interrompendo la corrente e rilasciando le nanoparticelle nell'elettrolita da cui possono essere rimosse. Quindi può essere aggiunto un nuovo lotto di nanoparticelle enzimatiche, quale, come prima, autoassemblarsi sugli elettrodi. Questa capacità di aggiornare i vecchi, degradare biocatalizzatori con nuovi fornisce un modo per rienergizzare la cellula e prolungarne la durata.

L'attuale versione della cella a biocombustibile ha una potenza relativamente bassa rispetto alle celle a biocombustibile non autoassemblate, ma i ricercatori si aspettano che le prestazioni possano essere notevolmente migliorate con varie tecniche di ottimizzazione, che intendono indagare in futuro. Altre aree da esplorare includono la personalizzazione delle nanoparticelle enzimatiche con molecole diverse per varie funzioni, oltre a modificare la cella per utilizzare combustibili diversi.

"Il piano futuro per questo argomento è espandere la tecnica presentata per vari tipi di enzimi, che consentirà la raccolta di energia da molti combustibili diversi (come glucosio, lattato, alcoli, eccetera.), " Disse Trifonov. "Inoltre, miriamo a prolungare la durata di tali celle a biocombustibile, insieme a test di diverse combinazioni di interazioni per il processo di autoassemblaggio per allargare la superficie coperta da ibridi enzima-magnetico-nanoparticella (il problema principale della tecnologia dimostrata) per migliorare la potenza finale del dispositivo".

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