Наногенераторы: путь к автономности электронных устройств
Что это такое?
При запросе «наногенератор купить» гугл выдаёт интернет-магазин принадлежностей для аквариумов. «наногенератор», который они продают — это обычный генератор волн. Видимо, для привлечения клиентов, маркетологи выбрали приставку «нано», которая сегодня стала синонимом технического прогресса. В наногенераторах, речь о которых пойдет в этой статье, приставка «нано» отражает размеры рабочего тела, за счет которого вырабатывается электричество.
Наногенератор — это устройство, которое преобразуют механическую или тепловую энергию, производимую в результате маломасштабных физических изменений в среде (например, колебаний), в электрическую. В зависимости от того, каким образом преобразуется энергия, принято выделять три класса наногенераторов: пьезоэлектрический и трибоэлектрический преобразуют механическую энергию в электричество, а пироэлектрический тепловую.
Пьезоэлектрический наногенератор
Пьезоэлектрические наногенераторы основаны на (невероятно, но факт) пьезоэлектрическом эффекте. Пьезоэлектрический эффект — это явление, при котором деформация тела приводит к появления электрического заряда на его поверхности. В них используются так называемые нанопроволоки — проволоки с диаметром порядка нанометра. В результате деформации этих проволок на их поверхности образуется электрический заряд: в той части, которая сжата отрицательный заряд, а на растянутой — положительный.
Схема работы пьезоэлектрического наногенератора на примере одной нанопроволоки Материал | Размеры | Выходное напряжение | Выходная мощность | Изготовление |
ZnO (оксид цинка) | D: ~100 нм, L: 200~500 нм | VP=~9 мВ | ~0.5 пВт | CVD |
GaN | D: 25~70 нм, L: 10~20 мкм | Vavg=~20 мВ | ~ 0,8 пВт | CVD |
PVDF | D: 0.5~6.5 мкм, L: 0.1~0.6 мм | V=5~30 мВ | 2.5 пВт~90 пВт | Электроспиннинг |
CVD или химическое охлаждение из газовой фазы — это процесс получения высокочистых материалов. Зачастую данный метод используется для создания полупроводников малых размеров (от нанометров до микрон).
Электроспиннинг — способ получения полимерных волокон в результате действия электростатических сил на электрически заряженную струю полимерного раствора или расплава. Метод электроформования позволяет получать полимерные волокна диаметром порядка нескольких сотен нанометров.
Из недавних разработок можно выделить IENG. IENG может выдавать максимальный пиковый ток короткого замыкания 320 мкА и соответствующую плотность тока 290 мкА/см^2, что превосходит предыдущие разработки пьезоэлектрических наногенераторов почти в два раза. Подробнее об это можно почитать здесь.
Пироэлектрический наногенератор
В таких наногенераторах используется два физических явления — это возникновение в кристаллических диэлектриках поляризации при изменении температуры (свойство пироэлектриков) и эффект Зеебека. Эффект Зеебека — это появления ЭДС в на концах последовательно соединенных разнородных проводников, контакты которых имеют разную температуру. Обратный эффект называется эффект Пельтье
Про пьезоэлектрический эффект при нагревеКак мы знаем, при изменении температуры тела деформируются. В том числе и рабочее тело пироэлектрического наногенератора. Поэтому все пироэлектрики являются пьезоэлектриками, но не наоборот.
Янтарь — классический пример пироэлектрика Обычно для получения электричества в пироэлектрических наногенераторах используется эффект Зеебека, но в среде, где температура однородна, например, на открытом воздухе, необходимо использовать свойства пироэлектриков. Отсюда и вытекает одна из особенностей пироэлектрических наногенераторов — узконаправленность: где хорошо работает один тип, там работает плохо другой, и наоборот.
Схема работы пироэлектрика: Ag — серебро, ITO — Оксид индия-олова. Углы на схеме обозначают градусы, в рамках которых будет колебаться диполь под действием температуры. В целом, пироэлектрические наногенераторы характеризуются высоким напряжением, но невысокой силой тока. Первый пироэлектрический наногенератор был представлен профессором Чжун Линь Вангом из Технологического института Джорджии в 2012 году. Такие генераторы можно широко использовать не только как источники электричества, но и как датчики изменения температур.
Трибоэлектрические наногенераторы и китайский WT-TENG
Наверняка все в детстве натирали расчетку или воздушный шарик о волосы и представляли себя волшебником, поднимая кусочки бумаги в воздух. Данное волшебство объясняется трибоэлектрическим эффектом. Трибоэлектрический эффект — это явление возникновения электрического заряда в результате трения. Основной недостаток таких генераторов — это необходимость держать поверхности в контакте, что является сложной задачей. К тому же само трение ведет к разрушению поверхностей. Совсем недавно, 11 марта исследователи из Китайского университета Гонконга (CUHK) сообщили о своей разработке наногенератора, основанного на трение твердой поверхности и воды — WT-TENG.
пример работы 150 светодиодов от WT-TENG Размер полученного генератора сравним со средним пальцем. Со слов исследователей, характеристики у WT-TENG следующие: 9 микрокулонов на м^3 с частотой 0.25 Гц. Ознакомиться с исследованием можно по этой ссылке.
Вот видео, демонстрирующее работу наногенератора:
Необычный способ использования трибоэлектрических наногенераторов применили Ученые из Корейского национального университета Чеджу. Они встроили их в игрушки, которые при определенных действиях (нажатие или тряска) загораются:
Выглядит крипово…Эпилог
Конечно, использование таких технологий для игрушек нельзя назвать невероятным успехом. Но потенциал наногенераторов огромен: различные автономные датчики, например, GPS-трекеры для отслеживания миграции диких животных (ну или чипирование людей от Билла Гейтса) , уменьшение зависимости гаджетов от стационарных источников электричества. Возможно, увеличение КПД различных приборов за счет сбора отработанной энергии (тепло, вибрации и т.п.). В общем, есть где разгуляться.
