El desafío energético de los microsistemas
El campo de los MEMS y bioMEMS surge como una importante tecnología del nuevo milenio, con capacidad para crear complejos sistemas de ingeniería, autónomos y de bajo costo. Un problema crítico para estos microsistemas reside en las fuentes de energía.
Aunque algunos dispositivos microscópicos, como las impresoras a chorro de tinta, pueden no disponer de un suministro de energía propio, los sistemas remotos y distribuidos necesitan fuentes de poder locales. Como muchos dispositivos MEMS integran circuitos electrónicos, el desarrollo de micro fuentes de energía para tales microsistemas se vuelve una exigencia y un desafío. Durante la última década, gran parte del esfuerzo de los investigadores se ha enfocado en la generación de poder basada en células de combustible microscópicas que utilizan oxígeno, hidrógeno u otros combustibles para suministro de energía continua en el rango de 10-100 W.
Otros han investigado la posibilidad de fabricar a bajo costo la alta capacidad de las células solares. Sin embargo, estas fuentes de poder normalmente requieren complicados procesos de micromaquinado que impiden la posibilidad de una integración con MEMS para el autosostenimiento de tales microsistemas. Las fuentes que puedan activar dispositivos a partir de funciones de vida disponibles de manera libre y permanente son atractivas, en contraste con aquellos microscópicos artefactos de combustión interna o microbaterías recargables de película delgada de litio.
La microbatería activada (sobre demanda) por el uso de la reacción química entre agua y ácidos disponibles se ha demostrado como una alternativa viable para bioMEMS y microdispositivos. Las primeras baterías de lámina de papel activadas por orina fueron reportadas a inicios de 2005.
Orina como fuente de energía
Actualmente la orina se analiza químicamente para protección de la salud o para el diagnóstico de enfermedades. Todos los días un adulto saludable produce aproximadamente 1.2 litros de orina, principalmente una solución acuosa de pérdidas metabólicas como la urea (25-35 g) y el ácido úrico (0.4-1.0 g), sales disueltas como el cloruro de sodio (15 g) y otros materiales orgánicos. La mayoría de estos químicos presentes en la orina pueden usarse para chequeos de salud y diagnóstico de enfermedades.
Por ejemplo, la concentración de glucosa en la sangre se usa como marcador para el diagnóstico de diabetes y puede determinarse por medio de oxidasa de glucosa (GOD). Durante las últimas décadas, investigadores han desarrollado varios medios de supervisar la concentración de glucosa en la orina, sensores multianálisis para el descubrimiento de hypoxanthine, xanthine y ácido úrico, y un sensor de enzima para la determinación de urea.
Ahora se ha desarrollado un proceso de fabricación simple y barato, compatible con las tecnologías existentes para el laminado de plásticos. Aquí se muestra la viabilidad de usar una tecnología de laminación plástica simple y barata para fabricar baterías de papel activadas por orina, como fuente de energía para manejar biosensores para cuidados de la salud. Se describen detalles del proceso de fabricación y la evaluación del rendimiento de la batería.
Cómo funciona la batería de papel
En esta batería, una capa de magnesio (Mg) y una capa de papel de filtro embebida en cloruro de cobre (CuCl) se usan como ánodo y cátodo, respectivamente. Montadas sobre una placa de cobre (Cu) y formando un conjunto intercalado entre dos láminas plásticas que se sellan al atravesar un rodillo calentado a 120 °C. La batería de papel activada puede entregar 1.5 mW o más. Además, podría integrarse con dispositivos bioMEMS para ser utilizada en test de salud, generalmente para detección y/o diagnóstico, considerando que resulta una fuente que mantiene poder suficiente para este tipo de circuitos microelectromecánicos.
La Figura 1 muestra el diagrama de una batería de papel activada por orina que consiste en una capa de cobre (Cu), el papel de filtro embebido en cloruro de cobre (CuCl) y una capa de magnesio (Mg). El ensamble completo se intercala entre dos capas plásticas que luego se lamina, para compactar y sellar, pasándolo a través de los rodillos calentados a 120 °C.
La Figura 2 muestra el principio de funcionamiento de la batería. Se usan magnesio y cloruro de cobre como ánodo y cátodo, respectivamente. La capa de Cu actúa como colectora de electrones.
Cuando una gota de orina humana se agrega a la batería, como se observa en la figura 2, la orina empapa el papel montado entre las capas de Mg y Cu. Los químicos se disuelven y reaccionan para producir electricidad. Aunque la orina contiene otros electrolitos químicos menores como el ácido úrico, el cloruro de cobre (CuCl) es el químico usado mayoritariamente para la generación de electricidad en estas baterías. Las reacciones químicas del ánodo, la oxidación, y del cátodo, la reducción, se representan en las ecuaciones (1) y (2), respectivamente:
Mg ======> Mg2+ + 2e--- (1)
2CuCl + 2e--- ===> 2Cu + 2Cl --- (2)
y la reacción global es:
Mg + 2CuCl ====> MgCl2 + 2Cu. (3)
El voltaje teórico de esta batería es una función directa de los materiales del ánodo y del cátodo. El potencial normal se calcula como 2.49 V del electrodo normal, y los potenciales se obtienen como la suma del potencial del ánodo y del potencial del cátodo.
Fabricación de la batería
Para fabricar la batería de papel, se ha desarrollado una técnica compatible con las conocidas tecnologías de laminado plástico. La placa de magnesio se usa como ánodo debido a su estabilidad química en el aire.
La Figura 3 muestra la preparación del papel de filtro (Whatman, Cat. Nº 1001070) con cloruro de cobre (CuCl). La solución tiene 3 g de CuCl en 100 ml de agua. Después de empapar una hoja del papel de filtro comercial en la suspensión, el papel se seca al aire y se corta en pedazos pequeños para la fabricación de la batería (figura 3b). Las Figuras 4a y 4b muestran fotografías del papel antes y después de empaparlo en la suspensión de CuCl, como se indicó en la figura 3.
La fotografía de la figura 4b se tomó después de que el papel con CuCl estaba seco. Se puede observar claramente, entre las figuras, que las partículas secas de CuCl están distribuidas en las fibras del papel de filtro luego de ser tratado. El cátodo, el CuCl, actúa como tal y acepta los electrones generados en el ánodo de Mg, como se ilustra en el ejemplo (2), provocando la reacción global.
La figura 5 muestra un barato proceso desarrollado para la fabricación de baterías de papel. El proceso comienza con una película plástica inferior, transparente, de 0.15 mm de espesor, cubierta de un pegamento, que sirve como sustrato para la batería de papel. En el siguiente paso, una capa de cobre (Cu) de 0.2 mm de espesor es depositada (o grabada) y sirve como electrodo positivo (figura 5a). Una capa de aluminio (Al) de 0.2 mm de espesor (figura 5b) es entonces incorporada para proporcionar la unión eléctrica de los electrodos.
En las figuras 5c y 5d, el papel de CuCl, de 0.2 mm de espesor, y una capa de Mg son apilados sobre la capa de cobre y finalmente cubiertos por una película plástica transparente superior con una capa adhesiva (figura 5e). Finalmente, el bloque entero es laminado pasando por rodillos calentadores a 120 °C. Una hendidura para suministro de orina y otra para salida del aire son efectuadas en la película plástica superior (figura 5f). Es obvio que los rodillos calentadores presionan y unen todas las capas de la batería de papel (figura 5e).
Otros medios de calefacción, como el equipo de calentamiento ultrasónico, podrían ser usados en vez de los rodillos calentadores. La figura 6 muestra una fotografía del prototipo de la batería de papel donde todas las capas de cobre, papel de filtro y magnesio están unidas entre las películas plásticas transparentes, superior e inferior. Las dimensiones totales son de 6 cm x 3 cm, y para el papel tratado con CuCl son de 4 cm x 2 cm. Tres trozos de Mg con dimensiones de 0.2 mm x 3 mm x 5 cm son usados para proporcionar la mayor área de reacción. La figura 7 muestra el corte transversal de la batería de papel laminada. En la imagen pueden verse las capas activas de Mg, papel de CuCl y Cu, entre las capas plásticas superior e inferior. El pegamento en las capas plásticas se derrite y solidifica para mantener las capas activas unidas cuando el bloque entero es laminado por el proceso de calentamiento (figura 5e).
Resultados de las pruebas
El voltaje de salida de diez baterías ha sido medido con respecto al tiempo para resistencias de carga de 10k y 1k, usando un voltímetro para medir el voltaje a través de la resistencia de carga (ver figura 2b). La figura 8 muestra las salidas de voltaje medidas de las baterías con las resistencias de carga de 10 k y 1 k después de que una gotita de orina humana (0.2 ml) es colocada en la correspondiente hendidura de suministro (ver figura 1).
El voltaje de salida de la batería con la resistencia de carga de 10k alcanza un voltaje máximo de 1.47 V, disminuye con el tiempo y permanece en un voltaje constante de 1.04 V durante 90 minutos. El voltaje de salida de la batería con la resistencia de 1k alcanza un voltaje máximo de 1.21 V, disminuye con el tiempo y cae a 0.72 V después de 90 minutos. Los poderes máximos son 1.5 mWs para la resistencia de carga de 1k y 0.22 mWs para la resistencia de carga de 10k.
Más experimentos muestran modelos de voltaje de salida similares a los descritos en la figura 8. El voltaje máximo y el voltaje en 90 minutos respecto a resistencias de 10 k y 1 k son resumidos en la Tabla 1 como interpretación representativa de la batería. Todas las baterías tienen un voltaje similar con una resistencia de carga dada.
Con la resistencia de carga de 10k, el voltaje máximo promedio y el voltaje en 90 minutos fueron de 1.46 V y 1.02 V, respectivamente. Con la resistencia de carga de 1k, el voltaje máximo promedio y el voltaje en 90 minutos fueron de 1.20 V y 0.73 V, respectivamente. La figura 9 muestra voltajes cuando una gotita de 0.2 ml es añadida después de que la batería es probada con la resistencia de carga de 10 k (figura 8) durante 15 h.
Dos pares de voltaje de salida son mostrados en la figura 9 para la comparación. Después de añadir la segunda gotita de 0.2 ml, el voltaje se recupera a 1.2 V y disminuye después en un modelo similar. Esto muestra que más orina puede generar más energía eléctrica después de que la batería es activada por la primera gotita de orina. Esta batería puede ser fabricada e integrada en bioMEMS para suministrar energía y en dispositivos tales como chips o biosensores de ADN de tipo eléctrico.
Conclusiones
La primera batería de papel activada por orina ha sido presentada para bioMEMS y queda a disposición de usos diversos. Los conceptos básicos de operación de la batería son presentados y el prototipo de microbatería es fabricado usando un proceso de laminación plástica simple y barato. En esta demostración preliminar, el Mg se utiliza como ánodo para generar electrones, y CuCl distribuido en un papel de filtro es seleccionado como cátodo. El estudio experimental de la microbatería mostró que se obtiene un voltaje máximo de 1.47 V y un poder máximo de 1.5 mWs para resistencia de carga de 1k. Es previsible que el voltaje, la corriente y la capacidad de la microbatería puedan ser mejorados haciendo conexiones en serie y en paralelo de las baterías, así como empleando otros sistemas de electrodo/electrolito. Esto demuestra la viabilidad de usar la batería de papel activada por orina para bioMEMS, dispositivos para bioaplicaciones, incluso equipos de test de salud domiciliarios.
