Kada je 1800. godine talijanski fizičar Alessandro Volta konstruirao prvu električnu bateriju,Voltin stup, nije se mogao ne pohvaliti kako je pronašao „neizmjeran izvor umjetnog elektriciteta“. „Umjetnog elektriciteta“? U doba kada smo okruženi svim vrstama električnih uređaja i, dakako, izvora napajanja za njih, lako zaboravljamo kako električne struje ima i u prirodi – i da se ne očituje samo udarima munje. Postoji čitava porodica električnih riba, drhtulja (Torpidinidae), po kojima je i tako moćno pomorsko oružje kao što je torpedo dobilo ime. Među takvim se ribama ističe električna jegulja (Electophorus electricus), premda nije jegulja (Anguilliformes) pa ni prava drhtulja budući da pripada porodici Gymnotidae a ne Torpidinidae. U impulsu koji traje dvije milisekunde ta je riba kadra proizvesti struju napona 600 volti  i jednog ampera jakosti – što je sasvim dovoljno da omami svoju žrtvu (pa i čovjeka). Koliko je za tu ribu važan njezin električni organ najbolje govori činjenica da on čini čak 80 % mase njezina tijela. No kako funkcionira?

Temelj organa čine električne stanice, elektrociti. U njima je koncentrcija kalijevih iona 34  puta viša, a natrijevih iona 17 puta manja od koncentracije tih iona u izvanstaničnoj tekućini. Kada stanica miruje, tj. kada ribi ne pada na pamet da pušta struju, kalijevi ioni izlaze kroz staničnu membranu (putem posebnih ionskih kanala) u međustanični prostor. To je proces sličan osmozi, jer se koncentracije iona uvijek nastoje izjednačiti, pa kalijevi ioni putuju u smjeru njihove niže koncentracije.

No kada riba hoće poslati električni signal, zatvorit će kalijeve kanale u membrani okrenutoj prema tijelu te istodobno na toj membrani otvoriti kanale za natrij. Kako natrija ima više u međustaničnoj tekućini, njegovi će ioni prodirati u citoplazmu elektrocita. Uslijed toga doći će do polarizacije membrane – i razlike potencijala između dva nasuprotna dijela stanične membrane od 150 mV.

Inspirirani tim osebujnim načinom dobivanja električne struje američki i švicarski znanstvenici nedavano su napravili uređaj na sličnom principu te ga opisali u časopisu Nature od 14. prosinca 2017. Naslov je članka vrlo ilustrativan – i inspirativan: „An electic-eel-inspired soft power source from stacked hydrogels“ (Mekani izvor struje iz uslojenog hidrogela inspiriran električnom jeguljom). I ovdje je riječ o putovanju iona, o otopinama viših i nižih koncentracija. Samo je električnu stanicu (elektrocit) zamijenio hidrogel, a staničnu membranu gelna membrana selektivna na ione. Ne treba ni reći kako je taj uređaj daleko jednostavniji od električnog organa.

Gel s niskom koncentracijom iona (riječ je o 15 mM otopini natrijeva klorida) nalazi se u sendviču dva gela koji selektivno propuštaju ione. Jedan od tih gelova propušta samo katione, a drugi samo anione, što će reći da prvi propušta natrijeve (Na⁺), a drugi kloridne ione (Cl^-). Kada slojevi nisu u kontaktu ne događa se dakako ništa, no kada se pritiskom dovedu u dodir jedan s drugime, ioni natrija i ioni klora počinju putovati iz gela s višom koncentracijom natrijeva klorida (2,5 M) u gel s nižom, već navedenom koncentracijom od 15 mM. Uslijed toga dolazi do polarizacije membane uz stvaranje napona od 130 – 185 mV, baš kao i kod električne jegulje.

O tehničkim problemima koji su pratili izradu ovog naoko jednostavnog uređaja ne bih zamarao čitatelja. Nema ih malo. Bit će dovoljno reći kako svi dijelovi ove osebujne baterije moraju istodobno doći u kontakt, što će reći da svi moraju biti u isti čas pritisnuti. Koliko je to zahtjevan zadatak najbolje govori prirodni izvor takve struje. U električnom organu ionski se kanali otvaraju i zatvaraju živčanim impulsom, no živci su tako prilagođeni da impulsi istodobno stignu do svih stanica – u intervalu ne duljem od dvije milisekunde koliko traje udar električne struje (brzina širenja živčanog impulsa iznosi 50-100 m/s). Stoga „mekani izvor struje inspiriran električnom jeguljom“ još nije ni blizu svoga prirodnog uzora. Iako proizvodi struju približno istog napona, hidrogelna naprava može proizvesti snagu od samo 27 mW/m² – što je  dvjesto puta slabije od sloja električnih stanica (5,5 W/m²). Štoviše, kako se u električnom organu nalaze tisuće slojeva elektrocita odijeljenih vezivnim tkivom, električna jegulja može proizvesti struju od 100 W.

Unatoč nesavršenosti, primjena novog uređaja već se nazire. Prije svega to je upotreba u kontaktnim lećama koje su također napravljene od hidrogela. Dobivena struja mogla bi se koristiti za pogon sitnih uređaja u njima (takve se  spravice već razvijaju). Mogao bi se koristiti i u ortopedskim implantatima, pa i u robotima koji bi zahvaljujući takvim „baterijama“ mogli biti posve mekani.

Nenad Raos, rođen u Zagrebu 1951. godine, je kemičar, umirovljeni znanstveni savjetnik u trajnome zvanju. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti: napisao je na stotine znanstveno-popularnih članaka, sedam je godina bio glavni urednik Prirode, a sada je urednik rubrike „Kemija u nastavi“ u časopisu Kemija u industriji. Autor je sedam izložbi u Tehničkom muzeju Nikola Tesla u Zagrebu te 12 znanstveno-popularnih knjiga. Uskoro mu izlazi još jedna, ovaj put na engleskom jeziku (The Cookbook of Life), s temom postanka života na Zemlji.