Ток от растяжения

Ученые Технологического университета штата Джорджия создали элементы питания для обычной электроники с помощью наноразмерных генераторов, которые преобразуют механическую энергию извне с помощью набора нанопроводков.

В данном случае механическая энергия – это сжатие наногенератора двумя пальцами. Но ее можно получать и из биения сердца, и из ударов подошв обуви по земле, и из вибрации технического оборудования.

Такие генераторы, конечно, никогда не смогут производить большие объемы электричества в промышленных целях, однако они вполне могут питать небольшие устройства, например, батареи iPod. Работа, посвященная последним усовершенствованиям наногенераторов, опубликована в журнале Nano Letters.

Работа наногенераторов Ванга основана на пьезоэлектрическом эффекте, наблюдаемом в кристаллических материалах (например, оксиде цинка). Электростатический потенциал возникает, когда предмет, сделанный из такого материала, сжимают или растягивают.

«Собирая» электричество с миллионов наноразмерных проводков оксида цинка, ученым удалось получить ток напряжением до 3 В и силой до 300 нА.

«Мы максимально упростили конструкцию, сделали ее более функциональной и добились совместной работы большого количества проводков. Так получился наногенератор, достаточно мощный, чтоб питать обычные малые устройства – ЖК-дисплеи, светоиспускающие диоды и лазерные диоды», – пояснил профессор Чжун Линь Ван, слова которого приводит пресс-служба университета.

Сфера будущего внедрения наногенераторов – небольшие электронные устройства, применяемые в здравоохранении, мониторинге условий окружающей среды, а также обычная мелкая электроника.

Первые наногенераторы из оксида цинка использовали проводки, выращенные на твердой подложке и присоединенные к металлическому электроду. Новые наногенераторы способны производить электрический ток при простом растяжении – в этом случае оба конца нанопровода погружены в полимерный материал. Ключевая стадия процесса производства генераторов – аккуратный рост нанопроводов. Однако группа Вана придумала более простой способ производства. Нанопровода нового типа имеют коническую форму. После доведения роста до нужной величины проводки помещали в спиртовой раствор. Раствор с нанопроводками затем капали на тонкий металлический электрод и лист растяжимой полимерной пленки. Спирт высыхал, и на полученный слой помещали новый. Так получались чередующиеся слои полимера и нанопроводов, составляющие единый композиционный материал. Именно он, считает Ван, станет прототипом будущих устройств на наногенераторах.

При растяжении полимера проводки, размещенные слоями, производят электрический ток, достаточный для питания небольшого дисплея, например, экрана карманного калькулятора.

Профессор Ван считает, что после небольшого усовершенствования наногенераторы можно будет использовать в малоразмерных мобильных устройствах. Он предлагает питать ими датчики состояния атмосферы, замеряющие количество токсичных газов, в частности, для изучения изменения климата. Систему следует снабдить конденсатором, который мог бы запасать небольшое количество электроэнергии, достаточное для того, чтобы переслать массив данных в случае угрозы отключения устройства.

Хотя сейчас энергии, полученной от самых лучших наногенераторов, недостаточно даже для питания батареи iPod, Ван уверен, что у этой технологи большое будущее, а работающие от наногенераторов кардиостимуляторы появятся в ближайшие пять лет.

Наногенераторы, которые разработаны в его группе сейчас, в 100 раз эффективнее, чем аналогичные устройства, которые удалось создать год назад.

Другое направление усовершенствования технологии – создание пьезоэлектроники на основе смешанного цирконата-титаната свинца. Этот материал уже используется в промышленности, однако нанопровода из него растить не так просто, это требует нагрева до 650 градусов Цельсия, сообщается в статье журнала Nature Communications. Ванг и его коллеги добились возможности получать такие нанопровода при температуре всего 230 градусов Цельсия.

«Мы начали проводить первые работы в этой области в 2005 году. То, с чего мы начинали пять лет назад, и то, что мы имеем сейчас, – это небо и земля. Свойства наших наногенераторов принципиально улучшились. Сейчас мы уже работаем на тех уровнях энергии, которые нужны для промышленного применения. Я думаю, что мы перейдем к прямым применениям наших технологий в ближайшие пять лет», – подытожил Ван.