Батарея, цилиндр, просто немного больше, чем длинное зерно риса, является, конечно, не самой маленькой батареей в мире, поскольку инженеры создали батареи, намного более крошечные, чем ширина человеческих волос. Но те батареи меньшего размера не держат достаточно энергии привести акустические признаки рыбы в действие.
Новая батарея достаточно маленькая, чтобы быть введенной в организм и держит намного больше энергии, чем батареи подобного размера.Детали батареи, созданной учеными из Тихоокеанской Северо-западной Национальной лаборатории Министерства энергетики, были изданы онлайн недавно в Научных Отчетах, участнике сбора Природы журналов. Исследование о материалах батареи было также показано в прошлом году в Журнале Химии Материалов A.
Для ученых, отслеживающих движения лосося, более легкая батарея переводит к передатчику меньшего размера, который может быть вставлен в младшую, меньшую рыбу. Это позволило бы ученым отслеживать свое благосостояние ранее в жизненном цикле, часто в небольших потоках, которые крайне важны для их начала. Новая батарея также может привести сигналы в действие по более долгим расстояниям, позволив исследователям следить за рыбой далее от берега или от дамб, или глубже в воде.«Изобретение этой батареи по существу коренным образом изменяет мир биотелеметрии и открывает исследование более ранних жизненных стадий лосося способами, которые не были возможны прежде», сказал М. Брэд Эппард, биолог рыболовства с Портлендским Районом Инженерных войск армии США.
«В течение многих лет главным ограничивающим фактором к созданию передатчика меньшего размера был размер батареи. То препятствие было теперь преодолено», добавил Эппард, который управляет программой исследований рыболовства Портлендского Района.Корпус и другие агентства используют информацию от признаков, чтобы картировать благосостояние подвергаемой опасности рыбы и помочь определить оптимальный способ, чтобы управлять дамбами. Три года назад Корпус обратился к З. Дэниелу Дэну, инженеру PNNL, чтобы создать передатчик меньшего размера, один достаточно маленький, чтобы быть введенным, вместо хирургическим путем внедренного, в рыбу.
Инъекция намного менее инвазивна и напряжена для рыбы, и это – более быстрый и менее дорогостоящий процесс.«Это было основной проблемой, которая действительно поглотила нас эти прошлые три года», сказал Дэн. «Нет ничего как это доступное коммерчески, который может быть введен. Или батареи слишком большие, или они не длятся долго достаточно, чтобы быть полезными. Вот почему мы должны были проектировать наше собственное».
Дэн обратился к эксперту по материаловедению Цзе Сяо, чтобы создать новый дизайн батареи.Чтобы упаковать больше энергии в небольшую площадь, команда Сяо улучшила метод «рулета с вареньем», обычно раньше делал более крупные домашние цилиндрические батареи. Команда Сяо установила слои материалов батареи один сверху другого в процессе, известном как расслоение, затем свернула их вместе, подобный тому, как создан рулет с вареньем. Слои включают отделяющийся материал, зажатый катодом, сделанным из углеродного фторида и анода, сделанного из лития.
Техника позволила ее команде увеличивать область электродов, не увеличивая их толщину или полный размер батареи. Увеличенная область решает одну из главных проблем, делая такую маленькую батарею – хранение импеданса, который много похож на сопротивление от получения слишком высокого. Высокий импеданс возникает, когда столько электронов упаковано в небольшое место, что они не текут легко или быстро вдоль маршрутов, требуемых в батарее, вместо этого стоя на пути.
Чем меньший батарея, тем больше проблема.Используя рулет с вареньем техника позволила команде Сяо создавать более крупную область для электронов, чтобы взаимодействовать, уменьшив импеданс так, что способность материала о двойном, который из традиционных микробатарей использовал в акустических признаках рыбы.«Это немного похоже на сглаживающиеся комки пластилина плей-до, один слой за один раз и затем свертывание их вместе, как рулет с джемом», говорит Сяо. «Это позволяет Вам упаковывать больше своих активных материалов в небольшое пространство, не увеличивая сопротивление».Новая батарея – немного больше чем половина веса батарей, в настоящее время используемых в акустических признаках рыбы – всего 70 миллиграммов, по сравнению с приблизительно 135 миллиграммами – и мерах шесть миллиметров длиной три миллиметра шириной.
У батареи есть плотность энергии часов на приблизительно 240 ватт за килограмм, по сравнению с приблизительно 100 для коммерчески доступных серебряных окисных микробатарей кнопки.Батарея держит достаточно энергии отослать акустический сигнал, достаточно сильный, чтобы быть полезной для отслеживающих рыбу исследований даже в шумной окружающей среде такой как около больших дамб. Батарея может привести в действие сигнал с 744 микросекундами, посылаемый каждые три секунды в течение приблизительно трех недель, или о каждых пяти секундах в течение месяца.
Это – самая маленькая батарея, о которой знают исследователи с достаточной энергетической возможностью поддержать тот уровень передачи сигналов.Батареи также работают лучше в холодной воде, где лососи часто живут, посылая более ясные сигналы при низких температурах по сравнению с текущими батареями.
Поэтому их активные ингредиенты – фторид лития и углерода, химия, которая обещает для других заявлений, но не была характерна для микробатарей.Прошлым летом в лаборатории Сяо, ученые Сэмюэль Картмелл и Теренс Лозано сделали вручную больше чем 1 000 из батарей размера риса.
Это – кропотливый процесс, сокращаясь и формируя крошечные отрывки сложных материалов, проводя их через сглаживающееся устройство, которое напоминает производителя пасты, связывая их, и катя их вручную в крошечные капсулы. Их те конкурента умелых рук из хирургов, работая не с тканью, а с чувствительными электронными материалами.Команда PNNL во главе с Дэном хирургическим путем внедрила 700 из признаков в лосося в полевых испытаниях в реке Змеи прошлым летом.
Предварительные результаты показывают, что признаки выступили чрезвычайно хорошо. Результаты того исследования и большего количества деталей о меньших, расширенных признаках рыбы, оборудованных новой микробатареей, выйдут в предстоящей публикации.
Battelle, который управляет PNNL, запросил патент на технологии.