CN102067365A - 用于产生电的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于产生电的装置(6)，具有第一电极(1)和第二电极(2)以及隔离层(3)，所述隔离层(3)被布置在所述两个电极(1，2)之间并包括至少一种两性离子化合物和/或一种自由基化合物。在将两个电极(1，2)和隔离层(3)结合在一起后，在两个电极(1，2)之间施加一特定时间段的外部电压。

Description

用于产生电的装置
技术领域
本发明涉及根据独立权利要求的前序部分的，用于产生电的装置以及用于制造该用于产生电的装置的方法。
背景技术
在活细胞中，包括大量功能确定的膜系统或复合体，它们用于各种目的，例如，信息处理、信息传递、产生电能、代谢物合成以及其他功能，由此确保细胞的成活和正常功能。特别是，这种系统是嵌入在膜的脂质基质中的蛋白质组件，并在空间上被定向。典型的示例为：嗜盐菌的色蛋白(已知为菌视紫红质，类似于哺乳动物的视觉系统蛋白)；视紫红质，脊椎动物视网膜上的感光的光感受器细胞色素；转运三磷酸腺苷，用于主动地和能量独立地将离子沿其电化电势梯度逆向运输的膜系统；细胞色素氧化酶，所有好氧生物的呼吸链的最后组分；质膜的Na+、K+活化的三磷酸腺苷；这种消耗了细胞内大部分能量的能量产生系统提供了将钠和钾沿它们的梯度逆向运输的能量。所述系统的含量在承担执行用于生物体的所述或任一需求的电工作的器官(黄貂鱼的神经、大脑、放电器官等)中尤其高。
所列举的生物器官结构以及类似功能的其他生物器官结构的最重要的结构单元是所知的转运蛋白和受体蛋白。所述蛋白直接参与了生物系统内电子、离子以及各种物质等的运输。下述蛋白被通常归为转运蛋白：细胞色素C；叶绿素(参与从供体到受体的电子转运)；氧化还原酶(氧化还原作用的催化剂)；转移酶(用于将各种基团从一个分子转运到另一个分子的催化剂)；血色素，血蓝蛋白和肌红蛋白(氧气载体)；血清蛋白(在血液中转运脂肪酸)，β-脂蛋白(脂质转运)；血浆铜蓝蛋白(在血液中转运铜)，膜脂质交换蛋白，以及许多其他蛋白。受体蛋白的实例为动物视觉系统的视紫红质，以及与之密切关联的菌视紫红质。视紫红质在各种生物系统中充当质子泵，其直接将各种离子(H+、D+和其他离子)转运穿过细胞膜，并将所述膜之间的电势差维持在一定值，该值足以使得嗜盐细菌在极端环境下存活，或使动物的视觉刺激能够产生。
所述的生物系统同时在结构上和空间上被精确分级或构造，并处于不同的级别水平。一级结构定义了链中的一系列不同的级别亚基，二级结构定义了所述链的折叠样式(α-螺旋、β-结构、β-转角或一些其他结构)以及三级结构是链的空间方向。已知的四级结构描述了蛋白质组件的不同独立亚基之间的空间关系和可能的相互作用。膜系统是主要由不同的亚基组成的蛋白质组件，其特征由所有四个结构层级决定，并被嵌入膜的脂质基质，以便被精确地定向，并作为一个单元而发挥作用。布置在脂质膜中的亚基这一极为严格的取向允许了：活体内的生物系统使分级的生物材料中的电荷载体可进行(穿过膜的)定向运动，还允许了在这些生物材料的限度上产生电势差，以及允许在活体内将其应用为电动势的来源。
每一蛋白质的亚基均是氨基酸。根据pH值的不同，每个氨基酸处于极性单价离子(带有正电荷或负电荷)的形式，或处于两极离子(两性离子)的形式，即带有质子化的氨基(NH3+)以及去质子羧基(COO-)。更具体而言，事实上，在中性条件下(pH＝7.0)所有的氨基酸以两性离子的方式存在。因为这样的两性离子亚基是相互作用的原子(例如，C、O、N、H和其他原子)的特定结合，并包括至少两个带有正电荷(+；这大体是质子化的氨基NH3+)和负电荷(-；这大体是去质子的羧基COO-)的基团。这样的亚基事实上是一种结构复杂，功能稳定以及独立的单元，其具有在空间上相隔离的电荷，这些电荷限定了其面积内的相应的电势差和电场强度。
由于产生和维持膜势能对于满足细胞的基本功能是至关重要的，因此膜结构或膜基质需要被形成为非导电的、电绝缘的结构。在电气工程学中，通过非导电层隔离电荷来工作的系统被称之为电容器。因此，像绝缘层一样将带电原子和分子(离子)与生物有机亚基隔离的生物膜与电容器类似地工作。
发明目的
本发明的目的是提供一种用于产生电的新型改进装置，以及制造用于产生电的装置的方法。通过根据独立权利要求的用于产生电的装置和用于制造这样的装置的方法，可以实现这些和其他发明目的。在从属权利要求中给出了更优选的实施方案。
发明内容
当前的发现令人惊讶的是，对于——包括第一电极和第二电极以及布置在这些电极之间的隔离层的——用于产生电的装置，当所述隔离层包括至少一个两性离子化合物和/或自由基化合物时，能够得到改进。所述两性离子化合物可以是氨基酸，优选为天然氨基酸。甘氨酸或组氨酸是尤其适合的。所述自由基化合物优选为稳定的，并具有至少有限的水溶性。尤其适合的是有机自由基，例如芳烃自由基。更尤其适合的是芳基三取代的甲基自由基，例如Ph3C基，即三苯甲基。由于离域π体系，所述自由基对于在隔离层中转运电子具有有利的作用，并且，由于这些π体系上的质子结合，所述自由基对于质子的转运也具有有利的作用。
除了其他材料状态外，两个电极之间的隔离层有利地具有凝胶或固体形式的载体材料。一个适合的实例是亚麻或棉质的纺织物或编织物，例如棉纱。同样尤其适合的是含纤维素的复合材料，例如由以下成分组成或包括以下成分的材料：纤维素纤维或其他高分子量多聚糖，尤其是葡聚糖，或壳质(β-1，4连接的N-乙酰氨基葡萄糖)。所述的有利的隔离层可以由有机原料制造，例如植物纤维。纤维素纤维促进了隔离层的内部结构的形成，并因此增强了本发明装置的功能。
瑞士专利申请No.1889/08描述了用于制造本发明装置的隔离层的尤其适合的材料，该专利申请的内容将形成本发明的公开内容整体中的一个部分。
在所述的有利方法中，使用强交流电磁场处理所准备的适合的含纤维素的材料(例如麦杆纤维浆)，以破坏有机原料在细胞间和细胞内的连接。所述的有利影响可以通过进一步添加铁磁颗粒来改进，所述颗粒的长度例如可以是3-5mm，直径可以是0.1至2.5mm。铁磁颗粒的比例是例如1-20重量％，而液体部分可以最高至40重量％。交流电磁场中的电磁颗粒促进了有机材料的分解。
在制造出有利的纤维素材料之后，将它们以必要的形式布置在本发明装置中，例如，以两个电极之间的薄层的形式。接着，干燥所述纤维素材料。也可进行所述层的额外的硬化。
可能的是，在这一较早时候，将本发明装置的两性离子化合物和/或自由基化合物添加至含纤维素材料，或者在晚些时候应用所述相应的化合物。
因此，用于产生电的本发明的装置包括了第一电极和第二电极，以及布置在这两个电极之间的隔离层。所述隔离层包括至少一种两性离子化合物和/或自由基化合物。
所述两性离子化合物优选为氨基酸，尤其是天然氨基酸，并优选为甘氨酸或组氨酸。其后，自由基化合物优选为稳定的有机自由基，尤其是三芳甲基自由基，并优选为三苯甲基或其衍生物。
所述隔离层的pH值优选为被选择为使得存在最大浓度的中性两性离子。
本发明装置的第一和/或第二电极可以包括，例如碳、锡、锌或有机导体。所述装置的电极中的一个或两个优选地涂有适于冷电子发射的材料——优选通过溅射、气相沉积或等离子涂覆。
在装置的一个有利实施方案中，所述隔离层具有载体材料。这一载体材料可以是凝胶或固体的形式。所述载体材料优选为织物纤维，优选为由纤维素，尤其是亚麻或棉质，制成的纺织物或无纺织物。
在另一优选变体中，载体材料包括含纤维素和/或含壳质材料。优选地，所述含纤维素和/或含壳质材料已在交流电磁场中粉碎。
在本发明装置的另一有利的实施方案中，所述装置包括电化学电池。
在根据本发明的用于制造用于产生电的本发明装置的有利方法中，在所述两个电极和隔离层的结合之后，向两个电极之间施加一特定时间段的外部电压。这形成了增强本发明装置的功能的隔离层中的结构形式。
具体实施方式
实施例1
在图1中示意性地示出了用于产生电的本发明装置6。在板形形式的第一电极1和板形形式的第二电极2之间布置了带有载体材料的隔离层3。所述两个电极1、2由人工石墨组成，并具有抛光的表面，以使电阻最小化。所述电极1、2通过接触线连接至仪表4，电压和电流值可以通过该仪表得到测量。隔离层3由浸渍了甘氨酸和三苯甲基的棉质材料组成。
在一个制造本发明装置的可能变体中，由人工石墨制成的具有光洁表面的第一电极1布置在适合的不导电的衬底5(例如玻璃)上。第一电极1的面积是50-100cm2。将厚度为0.1至0.5mm、未处理的棉质纤维素纱布形式的隔离层3放置于其上作为载体材料。如果需要，纺织材料也可以有数层。为了进行测试，将由人工石墨制成的第二电极2置于所述隔离层3之上，并测量其电阻和电容以用于控制(＞20兆欧；在120Hz为0.011-0.019nF)。
由高纯度水(导电率4.5-6.0μS)和结晶的纯甘氨酸制备饱和溶液(75.08M)。其pH值被调整至7.0。在这个值上，甘氨酸分子主要以中性两性离子的状态存在。第二三苯甲基自由基溶液被类似地制备，其浓度在甘氨酸溶液的浓度的0.01％和0.1％之间。
接着，将0.25-0.3微升的甘氨酸溶液涂至载体材料，以及在1-2分钟之后，将0.25-0.3微升的自由基溶液涂至载体材料。应用第二电极2，接着通过外力将所述装置压在电极上。接着以仪表4测量电势差ΔU＝120mV。在将暂态激励电压应用至电极后，在后续的测量中ΔU升至140mV。
当使用锌(Zn)作为两个电极的材料时，电势差ΔU是60mV，以及在应用激励电压之后，电势差ΔU则升至80mV。
利用一对碳锌电极测试各种隔离层。当仅将甘氨酸溶液用于浸渍隔离层时，电势差ΔU是500-510mV，以及在所述激励后，上升至900mV。在用三苯甲基自由基溶液时，电势差ΔU是750-760mV，以及在所述激励后，上升至1050mV。相反，在同时使用了两种溶液时，电势差ΔU已经为950-990mV，以及，在激励后，上升至1100mV。
表1通过实施例的形式示出了在更多的电极和隔离层的结合中，在本发明的产生电的装置中测量的电压和电流值。
表1：测试结果
Figure BPA00001279041900061
图例：C：碳；Zn：锌；Ph3C：三苯甲基；Sn：锡；Gly：甘氨酸；His：组氨酸。
总之，可以阐明的是，所实现的电压取决于所使用的两性离子或自由基化合物的类型、溶剂系统的类型、浓度、电极类型和外部负载的类型。
用于产生电的本发明的装置尤其适于运行时间长且电消耗低的负载——例如医学植入物——的能量存储库。
实施例2
图2示意性地示出了本发明装置的另一构造的横截面。所示的装置6包括：棒形内部电极1，完全包围所述内部电极1的隔离层3以及外部电极2。所述装置上还设有适合的绝缘层5a。
根据图2的试验装置构造如下：棒形碳电极1形式的第一电极，围绕该第一电极缠卷了所制备的隔离层3。所述隔离层3包括了棉质纱布作为载体材料，该棉质纱布浸渍了在3ml水中加入1g三苯甲基的溶液。围绕所述隔离层放置了锌片套箍形式的第二电极2，该第二电极2以合适的形状和合适的力的方式围绕第一电极1和隔离层3。所述锌片套箍在碳电极的纵向具有15mm的长度，并具有8.8mm的内径。所述片的厚度为1mm。
两个电极1、2均具有电连接11、21。最后，将绝缘带5a缠卷在装置6周围。在完成所述装置之后，在两个电极之间存在1.08V的电压U。
在另一优选实施方案中，浸渍了三苯甲基溶液之后的隔离层可以被干燥并接着缠绕在第一内部电极周围。在隔离层3被外部电极2围绕之后，该隔离层在最后再次被浸渍在三苯甲基溶液中。
为了测量本发明装置的内电阻Ri，将已预先完全放电的电容值为C＝470μF的电解电容器连接至装置的两个电极。电容器两端的电压U被记录为时间t的函数。其结果示出在图3(a)中。
所述电容器两端的电压通过公式U＝U1(1-exp(t/RiC))+U0确定，将图3(a)中的测量结果代入上述公式后得到：U＝0.294*(1-exp(-0.734*t))+0.752，运算结果为，装置的内电阻为Ri＝174千欧(±7％)。
接着向所述装置施加外部激励，以形成所期望的内部结构。为此目的，所述装置被连接至电压为6.6V的电压源20秒时间(正极接第一电极，负极接第二电极)，且其电流通过选择适合的电压源内电阻而得到限制。图3(b)示出了激励之后测量的电压曲线。在激励之后的结果为，装置两端的电压更高。
实施例3
根据图2的另一试验装置构造如下：棒形碳电极1形式的第一电极，以及围绕它缠卷了所制备的隔离层3。所述隔离层3在这一实施例中包括了如下棉质纱布，该棉质纱布浸渍了在100ml水中加入20g甘氨酸的溶液。接着，围绕所述隔离层放置了锌片套箍形式的第二电极2，该第二电极2以合适的形状和合适的力的方式围绕第一电极1和隔离层3。接着，将绝缘带5a缠卷在装置6周围。在完成所述装置之后，所存在的电压为U＝1.02V。
在另一优选变体中，隔离层被重复地浸渍在甘氨酸溶液中并被干燥，并且，在装置被组装之后，隔离层被再次浸渍甘氨酸溶液。
与实施例2类似，通过将电容为C＝470μF的电解电容器连接至所述装置的两个电极，再次测量本发明装置的内电阻Ri，且电容器两端的电压U被记录为时间t的函数。所述结果在图4(a)中示出。
将图4(a)中的测试结果代入上述的公式U＝U1(1-exp(t/RiC))+U0得到：U＝0.132*(1-exp(-0.321*t))+0.874，由此给出装置的内电阻值Ri＝40千欧(±11％)。
与实施例2类似，同样通过电压为6.6V的电压源向所述装置施加持续约20秒的外部激励。激励之后测量的电压曲线示出在图4(b)中。
实施例4
根据图2的另一试验装置与实施例3类似地构造。甘氨酸溶液还包含羧甲基纤维素，以使得到载体材料的粘合性最优化。在装置组装之后的所得到的电压为U＝0.97V。
接着对所述装置进行负载测试。为此目的，所述装置被连接至负载电阻RL，并测量该电阻两端的电压U。在RL＝1兆欧时，电压是U＝0.96V，在RL＝560千欧时，电压是U＝0.95V，以及在RL＝222千欧时，电压是U＝0.92V。在负载电阻为RL＝100千欧时，电压在4分钟之后稳定在U＝0.79V，这对应于大约I＝8μA的电流。
在以9.4V的电压源外部激励20秒之后，10分钟之后的结果为装置两端的电压为U＝1.55V。
实施例5
一种本发明装置与实施例2类似地制备，其中在9ml水中含有1g三苯甲基的溶液。所使用的碳电极是弧光灯的电极。其结果为电压是1.1V。接着对所述装置施加15秒的8.5V的外部激励。10分钟后，重复外部激励。再过五分钟之后，结果为装置两端的电压是1.21V。
再次地，通过对电容为C＝470μF的电解电容器充电，测量本发明装置的内电阻Ri，电容器两端的电压U作为时间t的函数在图5中示出，代入值之后的函数为，U＝0.844*(1-exp(-0.2042*t))+0.361。内电阻相应地为Ri＝10.4千欧(±4％)。

Claims (12)

1.一种用于产生电的装置(6)，包括第一电极(1)和第二电极(2)，其特征在于，包括至少一种两性离子化合物和/或自由基化合物的隔离层(3)布置在所述两个电极(1，2)之间。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两性离子化合物是氨基酸，尤其是天然氨基酸，并优选为甘氨酸或组氨酸。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述自由基化合物是稳定的有机自由基，尤其是三芳甲基自由基，并优选为三苯甲基或其衍生物。
4.根据前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述隔离层(3)具有载体材料。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述载体材料是凝胶或固体的形式。
6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述载体材料包括织物纤维，优选为由纤维素——尤其是亚麻或棉质——制成的纺织物或无纺织物。
7.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述载体材料包括含纤维素和/或含壳质材料。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述含纤维素和/或含壳质材料已在交流电磁场中粉碎。
9.根据前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述装置(6)包括电化学电池。
10.根据前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述第一电极(1)和/或所述第二电极(2)包括碳、锡、锌或有机导体。
11.根据前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述第一电极(1)和/或所述第二电极(2)涂有适于冷电子发射的材料——优选通过溅射、气相沉积或等离子涂覆。
12.一种用于制造根据权利要求1至11中任一项所述的用于产生电的装置(6)的方法，其特征在于，在所述两个电极(1，2)和隔离层(3)的结合之后，向所述两个电极(1，2)之间施加一特定时间段的外部电压。
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