[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

電気ウナギに学ぶ:柔らかい電池の開発

[スポンサーリンク]

アマゾン川には電気ウナギと呼ばれる、電気を発する魚が住んでいます。その体から発せられる電気は600 V(アルカリ乾電池400個分)にも達し、噛み付いてきたワニを感電死させてしまうほどの威力があります。それほど強力な電気を発する電気ウナギの仕組みを真似れば、柔軟で生体親和性のある電池をつくることができるかもしれません。今回は、最近Natureに発表された、電気ウナギを模倣したハイドロゲル電池について紹介します。

“An electric-eel-inspired soft power source from stacked hydrogels”

Schroeder, T. B. H.; Guha, A.; Lamoureux, A.; VanRenterghem, G.; Sept, D.; Shtein, M.; Yang, J.; Mayer, M. Nature 2017, 552, 214. DOI: 10.1038/nature24670

1. 電気ウナギの発電の仕組み

電気ウナギは、筋肉が変化してできた発電器官と呼ばれる部分で電気を発生させています。発電器官は、図1a左のように発電細胞の層と絶縁性細胞の層が何重にも重なった構造をしています。発電細胞の層には、前後非対称の細胞膜を持つ発電細胞が同じ向きに直列につながっており、イオン勾配を利用して電気を発生させます。

神経刺激がない場合、前方・後方いずれの細胞膜においても、カリウムポンプがK+を細胞外へと排出します(図1b左)。このとき、前後の膜での膜電位が相殺するため、細胞前後での電位差はありません。この細胞に神経刺激を与えると、神経とつながった後方の細胞膜でナトリウムポンプが作動し、細胞内にNa+を送り込むようになります(図1b右)。すると、後方の細胞膜の電位の向きが反転し、細胞全体で約150 mVの電位を生み出せるようになります。発電細胞は直列につながっているため、各細胞で生じる電位が足し合わさって、数百ボルトもの大きな電位になります。

図1. 電気ウナギの体の構造と電気発生の仕組み。

2. ハイドロゲルでつくる発電装置

Mayer教授らは、電気ウナギの発電の仕組みを、以下の4種類のポリアクリルアミドゲルを順につなげることで再現しました。

  1. 高濃度のNaClを含む中性高分子ゲル。
  2. 負電荷を持つ高分子ゲル。陽イオン(Na+)を選択的に透過する。
  3. 低濃度のNaClを含む中性高分子ゲル。
  4. 正電荷を持つ高分子ゲル。陰イオン(Cl)を選択的に透過する。

図2. ハイドロゲル発電装置の仕組み。

これらの4種類の高分子ゲルを接続すると、ゲル中に含まれるイオンは濃度が高い方から低い方へと移動します。その際に、負に帯電した高分子ゲルにおいてはNa+、正に帯電した高分子ゲルにおいてはClが選択的に透過するため、これらのゲルにおいて図2右のように電位差が生まれます。

Mayer教授らは、流体システムを用いた方法や表面プリンティングを用いた方法によってゲルを配列し、発電装置を作りました。表面プリンティングによる方法では、図3のように中性高分子ゲル(高NaCl濃度・低NaCl濃度)と、正・負電荷を持つ高分子ゲルをそれぞれ別のポリエステル支持フィルムに印刷し、それらのフィルム重ね合わせることで4種類のゲルを配列させました。このような構造では、支持フィルム上に並んだゲルの各スポットを同時に接触させることができます。こうして作製された発電装置では、2449個のスポット(612セット)から110 Vの電気が発生させられることが確認されました。

また、この発電装置では、ゲル同士が接触したときにのみ電気が発生するようになっているため、電気を無駄に消費する心配はありません。充電することも可能で、10回の充放電後にも90%以上の電気容量が再生されることが確認されました。

図3. 表面プリンティングにより作製した発電装置。スケールバー:1 cm(論文より)

3. ミウラ折りで性能アップ!

電気ウナギの発電器官では、発電細胞同士がhead-to-tailで連なっています。そのため、電流が流れる面が大きく距離が小さくなっており、低い抵抗値(発電細胞一層あたり0.1Ω)が実現されています(図4a)。一方で、Mayer教授らが作製した発電装置では、各ゲルが側方に並んでいます(図4b)。このような配列では、ゲル同士の接触面が小さく、電流が通過するゲルの厚みが大きいため、抵抗値が大きくなってしまいます(1セットあたり115 kΩ)。

そこで、彼らが着目したのは、人工衛星パネルの展開法などに用いられているミウラ折りです。ミウラ折りの展開図にゲルをうまく配置すれば、折りたたんだ際にそれらを同時に接触させることができ、かつゲル同士の接触面を大きく、厚みを小さくすることができます(図4c)。彼らは、ミウラ折りを展開したポリエステルの支持フィルムに穴を開け、折りたたんだ際に各ゲルが接触するように4種のゲルを配置しました(図4d)。この方法によって、側方伝導型よりも40倍抵抗値の小さい発電装置を作ることに成功しました。

図4. (a-c) 電気ウナギ・ハイドロゲル発電装置の構造。(d) ミウラ折り型発電装置(論文より)

4. おわりに

この発電装置の性能は、現状では開路電圧100 V程度、電力が27 mW/m2(1セットあたり)で、医用デバイスなどへの応用にはまだまだ改善が必要そうです。それでも、ゲルの厚みやイオン選択性など、改善できる部分は大いあるので、今後性能が向上し、体内埋め込み型デバイスなどへ応用されることが期待されます。

参考文献

  1. Xu, J.; Lavan, D. A. Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 666. DOI: 10.1038/nnano.2008.274
  2. Sun, H.; Fu, X.; Xie, S.; Jiang, Y.; Peng, H. Adv. Mater. 2016, 28, 2070. DOI: 10.1002/adma.201505742.

関連リンク

関連書籍

[amazonjs asin=”4320043642″ locale=”JP” title=”高分子ゲル (高分子先端材料One Point 2)”] [amazonjs asin=”4320044290″ locale=”JP” title=”最先端電池と材料 (最先端材料システムOne Point 5)”]
Avatar photo

kanako

投稿者の記事一覧

アメリカの製薬企業の研究員。抗体をベースにした薬の開発を行なっている。
就職前は、アメリカの大学院にて化学のPhDを取得。専門はタンパク工学・ケミカルバイオロジー・高分子化学。

関連記事

  1. リニューアル?!
  2. ケムステが化学コミュニケーション賞2012を受賞しました
  3. 「MI×データ科学」コース実施要綱~データ科学を利用した材料研究…
  4. 日本薬学会第137年会  付設展示会ケムステキャンペーン
  5. KISTECおもちゃレスキュー こども救急隊・こども鑑識隊
  6. カルボン酸β位のC–Hをベターに臭素化できる配位子さん!
  7. 階段状分子の作り方
  8. 光誘導アシルラジカルのミニスキ型ヒドロキシアルキル化反応

注目情報

ピックアップ記事

  1. ポリ乳酸 Polylactic Acid
  2. ベーシック反応工学
  3. 芝哲夫氏死去(大阪大名誉教授・有機化学)
  4. 「ドイツ大学論」 ~近代大学の根本思想とは~
  5. MSI.TOKYO「MULTUM-FAB」:TLC感覚でFAB-MS測定を!(1)
  6. あなたの分子を特別なカタチに―「CrystalProtein.com」
  7. 不安定化合物ヒドロシランをうまくつくる方法
  8. 第17回 音楽好き化学学生が選んだ道… Joshua Finkelstein氏
  9. 酸素を使った触媒的Dess–Martin型酸化
  10. 中小企業・創薬ベンチャー必見!最新研究機器シェアリングシステム

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2018年1月
1234567
891011121314
15161718192021
22232425262728
293031  

注目情報

最新記事

ナノグラフェンの高速水素化に成功!メカノケミカル法を用いた芳香環の水素化

第660回のスポットライトリサーチは、名古屋大学大学院理学研究科(有機化学研究室)博士後期課程3年の…

第32回光学活性化合物シンポジウム

第32回光学活性化合物シンポジウムのご案内光学活性化合物の合成および機能創出に関する研究で顕著な…

位置・立体選択的に糖を重水素化するフロー合成法を確立 ― Ru/C触媒カートリッジで150時間以上の連続運転を実証 ―

第 659回のスポットライトリサーチは、岐阜薬科大学大学院 アドバンストケミストリー…

【JAICI Science Dictionary Pro (JSD Pro)】CAS SciFinder®と一緒に活用したいサイエンス辞書サービス

ケムステ読者の皆様には、CAS が提供する科学情報検索ツール CAS SciFind…

有機合成化学協会誌2025年5月号:特集号 有機合成化学の力量を活かした構造有機化学のフロンティア

有機合成化学協会が発行する有機合成化学協会誌、2025年5月号がオンラインで公開されています!…

ジョセップ・コルネラ Josep Cornella

ジョセップ・コルネラ(Josep Cornella、1985年2月2日–)はスペイン出身の有機・無機…

電気化学と数理モデルを活用して、複雑な酵素反応の解析に成功

第658回のスポットライトリサーチは、京都大学大学院 農学研究科(生体機能化学研究室)修士2年の市川…

ティム ニューハウス Timothy R. Newhouse

ティモシー・ニューハウス(Timothy R. Newhouse、19xx年xx月x日–)はアメリカ…

熊谷 直哉 Naoya Kumagai

熊谷 直哉 (くまがいなおや、1978年1月11日–)は日本の有機化学者である。慶應義塾大学教授…

マシンラーニングを用いて光スイッチング分子をデザイン!

第657 回のスポットライトリサーチは、北海道大学 化学反応創成研究拠点 (IC…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP