Наноэлектростанция из подмышки

Ученые научились напрямую преобразовывать энергию движений человека в электричество

Алексей Петров 14.02.2008, 19:12

Американские нанотехнологи создали ткань, которая способна вырабатывать электричество при малейших механических колебаниях. Костюм из такой наноткани пока способен выдавать при ходьбе лишь несколько десятков мВт электрической мощности, однако и этого более чем достаточно.

Ученые полны уверенности, что однажды утром, надев костюм из тканной наноматерии, вы не расстроитесь, обнаружив, что забыли зарядить мобильник, а вместо этого подключите его к костюму-электрогенератору и решите дойти до метро пешком, с каждым шагом вливая очередную порцию энергии в аккумулятор.

Автором идеи и её успешного воплощения в жизнь стал Чжун Линь Ван и его коллеги из Технологического института Джорджии. Они соткали нанотехнологическую нить, волокна которой, будучи потерты друг о друга, вырабатывают электрический ток. Материалы, сотканные из таких волокон, могут быть использованы в покрое электрогенерирующей одежды и обуви специального назначения – например, для военных. Изделия из такой ткани могут быть использованы и в конструкции электронных имплантантов, таких как кардиостимуляторы.

Как отмечает сам Ван в статье, вышедшей в свежем номере Nature, его долгое время обескураживал поток инноваций в области наноразмерных устройств различного назначении, не подкрепляемый такими же усилиями по разработке специальных наноразмерных питающих устройств. По его словам, будучи сверхминиатюрными и потребляющими микроскопические количества энергии эти устройства все равно требуют питания от традиционных химических источников тока.

В то же время огромное количество энергии окружающей среды, недостаточное для питания современных мобильных устройств – ноутбуков и телефонов, может вполне сослужить службу наноустройствам будущего.

Эту энергию можно черпать из солнечного света, из энергии воздушных потоков и даже из механических движений, массу которых человек совершает ежедневно. Последний вариант и привлек Вана больше остальных. Действительно, разработка такого источника энергии позволит человеку быть полностью мобильным и производить электроэнергию вне зависимости от времени суток и местоположения.

Именно поэтому Ван был изначально ориентирован на создание тканого материала. Элементы одежды, сшитые из такого материала, должны преобразовывать механическую энергию человеческих движений в электричество. За основу в своей работе он взял обычную кевларовую нить, применяющуюся в производстве высокопрочных тканей, на которую учёный нанес тонкий слой кремнийполимерного материала тетраэтоксисилана.

Далее он вырастил на этой поверхности слой «шерсти» из наноразмерных нитевидных кристаллов оксида цинка – ZnO. Эти кристаллы торчат в разные стороны, образуя плотную щетину, наподобие той, что топорщится на зубных щетках.

Применение именно оксида цинка обусловлено его пьезоэлектрическими свойствами – малейшая деформация кристаллов этого оксида приводит к образованию разности потенциалов на их гранях.

Кроме того, ZnO обладает полупроводниковыми свойствами, сочетание которых с пьезоэлектрическими и обеспечивает работоспособность генератора.

Схема выработки электроэнергии

При движении одного волокна вдоль другого происходит сгибание кристаллов ZnO, что приводит к появлению разности потенциалов на их гранях. Под действием электрического напряжения происходит сток электронов из золотого покрытия в объем нанокристаллов оксида цинка через контакт металл-полупроводник.



Стрелками показаны: черная - направление сгиба; зеленая - направление стока электронов.

В замкнутой цепи такой контакт металл-полупроводник функционирует как электрогенератор, преобразующий механическую энергию в электричество.

Однако это еще не все. Элементарным генератором в тканом материале будущего на основе инновации Вана является переплетение двух таких нитей. Причем кристаллы второй нити покрыты тончайшим слоем золота. Золото, будучи прекрасным проводником электричества, служит в данном случае источником подвижных электронов – носителей заряда. Кроме того, золотое покрытие нанокристаллов цинка делает их более твердыми.

Твёрдость позволяет позолоченным кристаллам в ходе трения о кристаллическую щетину второй, не позолоченной нити изгибать и деформировать кристаллы на её поверхности, самим оставаясь прямыми. Это приводит к формированию разности потенциалов между растянутой гранью кристаллов и сжатой. Под действием этой разности потенциалов электроны при контакте золоченого нанокристалла и обычного переходят из металлического слоя в объем полупроводника.

Концы кевларовых волокон могут быть объединены в замкнутую электрическую цепь, в которую не составляет труда включить какую либо нагрузку – будь то электронное наноустройство или простая лампочка.

Как отмечает Ван, технология получения нанотехнологических волокнистых электрогенераторов проста и может быть воспроизведена в простейших лабораторных условиях. Сам Ван получал свои волокна в обычном химическом стакане при температуре 80 оС. Для оценки мощности единичного генератора учёный поставил эксперимент, в котором две нити растягивались и сжимались в противоположных направлениях с частотой 80 Гц. В этом режиме единичный генератор способен выдавать до 5 пикоампер электрического тока. Несмотря на то что это очень маленькая величина, Ван отмечает, что нить, сотканная из трех таких нанотехнологических генераторов, способна выдавать в пятьдесят раз больше электричества.

Американский учёный не видит существенной трудности в том, что бы соткать большое полотно из своих нитевидных электрогенераторов и отмечает, что одежда, сшитая из подобных материалов, будет способна вырабатывать электричество из самых слабых и незаметных человеческих движений. Даже биение сердца будет вызывать циркуляцию тока в подобной ткани.

Ван до сих пор затрудняется сказать точно, насколько существенно будет увеличение мощности тканого электрогенератора при переходе от одной нити к полотну, однако оценочные выкладки его коллег предсказывают мощность от 20 до 80 мВт для одного квадратного метра ткани при механическом воздействии, эквивалентном обычной ходьбе человека. Для современных электрических устройств, разумеется, и этого очень мало. Например, мобильные телефоны рассчитаны на мощность питающего устройства в 1–3 Вт.

Несмотря на это, многие промышленные компании уж заинтересовались разработкой Вана, так как перспектива использования подобного материала очевидна всем.

Ван не приводит оценок себестоимости материала, но выражает абсолютную уверенностю, что в течение двух-трех ближайших лет его инновация приведет к созданию полноценно материала, функционально завершенного, эффективного, надежного, гибкого и пригодного для покроя одежды. Остается только дождаться отклика индустрии моды.