Le sucre contenu dans le corps humain pourrait servir à produire de l’électricité. Par le biais d’une pile à combustible spécialement conçue, le glucose pourrait en effet être converti pour alimenter des implants médicaux qui nécessitent aujourd’hui une batterie.
Pour être plus exact sur les termes, c’est le glucose qui est en jeu ici. Il s’agit donc du sucre que notre corps humain absorbe, à partir de la nourriture que nous ingérons, et qui est présent un peu partout dans l’organisme. S’il alimente déjà notre corps en énergie, certains chercheurs pensent qu’il pourrait faire plus ! En le convertissant directement en électricité, il pourrait par exemple alimenter des implants médicaux, tels que les pacemakers. Un dispositif étonnant a donc été conçu par une équipe de scientifiques du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et de la Technical University of Munich. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Advanced Materials.
« Le glucose est partout dans le corps, et l’idée est de récolter cette énergie facilement disponible et de l’utiliser pour alimenter des dispositifs implantables », explique Philipp Simons, qui a développé le prototype dans le cadre de sa thèse de doctorat au Département de science et d’ingénierie des matériaux du MIT. « Dans notre travail, nous montrons une nouvelle électrochimie des piles à combustible à glucose ».
Concrètement, il s’agit d’une pile à combustible capable de convertir le glucose en petites quantités d’électricité. D’une épaisseur de 400 nanomètres, soit un centième du diamètre d’un cheveu humain, elle est capable de produire 43 microwatts par centimètre carré, ce qui représente, selon les scientifiques, la densité la plus importante jamais testée sur ce genre de dispositifs. La pile peut aussi résister à une température de 600 °C : une caractéristique nécessaire pour passer les processus de stérilisation nécessaires pour les implants à insérer dans le corps humain.
La conversion d’électricité se fait de façon directe, sans passer par un stockage dans une batterie, ce qui représente un gain de place considérable. « Au lieu d’utiliser une batterie, qui peut occuper 90% du volume d’un implant, il est possible de créer un appareil avec un film mince, et l’on obtient une source d’alimentation sans empreinte volumétrique », explique Jennifer L.M. Rupp, chercheuse à l’Université technique de Munich en Allemagne, dans un communiqué du MIT. L’équipe a en effet pour projet de créer des films très fins qui pourraient envelopper les implants, ou servir de revêtement, pour ainsi les alimenter en électricité de façon passive. « Les piles à combustible convertissent directement l’énergie plutôt que de la stocker dans un appareil, vous n’avez donc pas besoin de tout ce volume nécessaire pour stocker l’énergie dans une batterie », ajoute-t-elle.
Une idée qui court depuis les années 1960
L’idée d’utiliser le glucose comme source d’électricité n’est pas complètement nouvelle, puisque des prototypes avaient été créés dans les années 1960, rappelle le MIT. Cependant, le matériau de base utilisé était un polymère, qui résiste mal à la chaleur. Ses propriétés sont également difficiles à garder intactes à une échelle nanométrique, si bien que ce type de générateur a été vite supplanté par les batteries lithium-iodide. Cette fois-ci, les scientifiques ont donc plutôt opté pour la céramique, capable de préserver ses propriétés électrochimiques même à très haute température.
Le fonctionnement de base de ce « convertisseur de glucose » est le suivant. La pile à combustible est composée de : une anode supérieure (pôle positif), un électrolyte central (substance conductrice) et une cathode inférieure (pôle négatif). L’anode réagit avec le glucose présent dans les fluides corporels, transformant le sucre en acide gluconique. Cette conversion électrochimique libère une paire de protons et une paire d’électrons. L’électrolyte intermédiaire agit pour séparer les protons des électrons, conduisant les protons à travers la pile à combustible, où ils se combinent avec l’air pour former des molécules d’eau. Cette eau s’évacue avec les liquides corporels. Les électrons isolés, eux, circulent vers un circuit externe, où ils peuvent être utilisés pour alimenter un appareil électronique.
C’est la couche d’électrolyte qui était souvent composée de polymères. Les tests que les scientifiques ont récemment réalisé en la remplaçant par de la céramique ont été concluants. « Lorsque vous pensez à la céramique pour une telle pile à combustible à glucose, elle présente l’avantage d’une stabilité à long terme, d’une petite évolutivité et d’une possible intégration de puces en silicium », note Jennifer Rupp.
L’équipe a donc pris en sandwich l’électrolyte de céramique avec une anode et une cathode en platine, un matériau stable qui réagit facilement avec le glucose. Ils ont ainsi fabriqué 150 piles à combustible individuelles réagissant au glucose qu’ils ont rassemblé sur une puce. Ils ont ensuite modelé les cellules de rechargement sur des « tranches » de silicium, démontrant ainsi que leur dispositif pouvait être associé à un matériau semi-conducteur couramment utilisé.
Pour le moment, leur pile n’a pas été réellement testée pour alimenter un implant. Ils ont en revanche mesuré en laboratoire le courant produit par chaque cellule en faisant couler une solution de glucose sur chaque plaquette. Non seulement les tests ont été concluants, mais les scientifiques affirment également qu’ils ont obtenu la plus grande concentration d’électricité relevée sur ce type de dispositif, en quantité suffisante pour les besoins d’un implant. « C’est passionnant : nous sommes en mesure de tirer une puissance et un courant suffisants pour alimenter des dispositifs implantables », s’enthousiasme ainsi Philipp Simons.
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
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