Съедобные батарейки

Исследователи из Массачусетского технологического института и Гарвардской медицинской школы придумали, как сделать батарейки безопасными для детей. Если такую батарейку проглотит ребенок, то никакого вреда она ему не нанесет («Proceedings of the National Academy of Sciences», 2014, 111, 46, 16490—16495, doi: 10.1073/pnas.1418423111).

Батарейки-таблетки используют в калькуляторах, слуховых аппаратах, часах, лазерных указках и во многих других полезных устройствах. А также и в игрушках, с которыми играют маленькие дети, известные любители все тащить в рот. Таблеточные батарейки дети глотают довольно часто, несмотря на то что отсек с ними в игрушках по правилам должен быть закрыт с помощью винта. Нашу статистику найти сложно, но, по данным американской Комиссии по безопасности потребительских товаров, «скорую» вызывают по этой причине несколько тысяч раз в год. В 2009 году зафиксирован 3461 случай, а в 2013 году — 3366. С 1997 по 2010 год 14 детей в возрасте от семи месяцев до трех лет так и не удалось спасти.

Конечно, есть небольшой шанс, что батарейка проскочит в желудок и потом выйдет естественным путем. Однако велика вероятность, что она застрянет в пищеводе ребенка. Если родители не сразу поняли, что ребенок проглотил батарейку, то уже через два часа происходит ожог слизистой пищевода из-за утечки щелочного электролита. Последствия химических ожогов — паралич голосовых связок, перфорация пищевода и трахеопищеводная фистула, которые могут привести к летальному исходу.

Обычная батарейка-таблетка состоит из круглого анода и цилиндрического катода, разделенных сепаратором — пористой прокладкой, через которую положительные ионы, образующиеся при химической реакции в аноде, проходят к катоду. Свободные электроны от анода к катоду должны пройти другим путем — через внешнюю электрическую цепь, совершив работу, ради которой мы батарейку и покупали. Чтобы преградить электронам короткий путь, анод от катода отделяет кольцевая изолирующая прокладка. Однако в жидкой проводящей среде электроны неизбежно «вытекают» наружу, батарейка разряжается, и возле анода образуются гидроксидионы — еще один фактор риска.

Исследователи сделали батарейку, которая не дает ток в проводящей среде. Внешний изолированный электрод в ней отделен от анода композитом с квантово-туннельным эффектом (QTC) — силиконовой матрицей, в которую добавлены микрочастицы металла. Если давления нет, то матрица не проводит ток, а при нажатии становится проводящей. Надо отметить, что этот композит производится в промышленных масштабах и продается — его используют в сенсорных экранах и клавиатурах. Анод и композит соединяет проводящая серебряная паста. Водонепроницаемость батарейке обеспечивает покрытие из полидиметилсилоксана, которое должно продержаться достаточно долго, чтобы таблетка успела покинуть организм. Как видим, модификации несложные, их можно применять к батарейкам различного размера и дизайна.

Если защищенная батарейка попадет в пищевод, то давление на силиконовую матрицу будет недостаточно велико, чтобы она стала проводящей, поскольку металлические микрочастицы будут далеко друг от друга. Соответственно матрица сыграет роль изолятора. А в рабочем отсеке для батареек создается достаточное давление (кнопка включения устройства прижимает внешний электрод к батарейке), металлические микрочастицы в силиконовом слое оказываются близко друг к другу (на расстояниях менее 1—5 нм), и происходит туннелирование — покрытие превращается из изолятора в проводник.

Так как защитная оболочка делает батарейку водонепроницаемой, это дает ей преимущества ив других областях применения. Ее можно использовать при высокой влажности или в других условиях, в которых обычная батарейка не работает.

Чтобы оценить защитные свойства покрытия, исследователи поместили в пищевод свиньи обычную таблеточную батарейку и батарейку с покрытием. Тесты прошли на ура — никаких повреждений во втором эксперименте обнаружено не было. Батарейка «не работает» даже в организме, в котором не все нормально с пищеварением.

По словам ученых, дальнейшие исследования они проведут на других видах батареек, которые используют в разных приборах и игрушках. В планах — запустить новшество в массовое производство. Бывает, что дети засовывают эти же батарейки в ухо или нос, так что исследователи будут работать ив этом направлении. Весьма вероятно, что их труд поможет уменьшить число пострадавших, а также увеличит срок работы многих устройств — ведь они теперь не будут бояться влаги.

Вверху на фото слева — обычная и безопасная батарейки; видны слой QTC и защитное водонепроницаемое покрытие. Справа — лазерная указка, работающая на новых батарейках. В центре показано, почему композит с квантово-туннельным эффектом (QTC) под давлением становится проводником. Внизу — безопасная батарейка в выключенном и включенном состоянии. Если нет давления на верхний электрод, ток во внешнюю среду никогда не пойдет