Исследователи из Института наноматериалов Клемсона (CNI) на один шаг ближе к беспроводному питанию мира, используя трибоэлектричество - зеленый источник энергии.
В марте 2017 года группа физиков из CNI изобрела ультрапростой трибоэлектрический наногенератор, или U-TENG - небольшое устройство, изготовленное из пластика и ленты, которое генерирует электричество от движения и вибрации. Когда два материала объединяются - например, хлопая в ладоши или постукивая по ногам, - генерируется напряжение, которое обнаруживается проводной внешней схемой. Электрическая энергия, через схему, затем сохраняется в конденсаторе или батарее до тех пор, пока это не понадобится.
Девять месяцев спустя в статье, опубликованной в журнале Advanced Energy Materials , исследователи обнаружили беспроводную версию TENG, называемую W-TENG, которая значительно расширяет применение технологии.
W-TENG был спроектирован под тем же посылом, что и U-TENG, используя материалы, которые настолько противоположны сродством к электронам, что они генерируют напряжение при контакте друг с другом.
В W-TENG пластик был заменен на многослойное волокно из графена - один слой графита или карандашный свинец - и биоразлагаемый полимер, известный как полимолочная кислота (PLA). PLA, сама по себе, отлично подходит для отделения положительных и отрицательных зарядов, но не настолько велика при проведении электричества, поэтому исследователи соединили ее с графеном. Каптон, электронно-захватывающий материал U-TENG, был заменен тефлоном, соединением, известным для покрытия чашек для варки без использования.
«Мы используем тефлон, потому что у него много групп фтора, которые сильно электроотрицательны, тогда как графен-PLA обладает высокой электроположительностью. Это хороший способ сопоставить и создать высокие напряжения», - говорит Рамакришна Подола, соответствующий автор исследования и помощник профессор физики в Клемсоне.
Чтобы получить графен, исследователи выставили свое исходное соединение, графит, на высокочастотную звуковую волну. Звуковая волна тогда действует как своего рода нож, нарезая «колоду карт», которая графитируется в слой за слоем графена. Этот процесс, называемый ультразвуком, заключается в том, как CNI может увеличить производство графена для удовлетворения потребностей исследований и разработок W-TENG и других изобретений наноматериалов в разработке.
После сборки волокна graphene-PLA исследователи использовали производство присадок - иначе известное как 3D-печать, - чтобы вытащить волокно в 3D-принтер, и появился W-TENG.
Конечным результатом является устройство, которое генерирует максимальное напряжение 3000 вольт - достаточно для питания 25 стандартных электрических выходов или в более крупном масштабе, смарт-тонированные окна или жидкокристаллический дисплей (ЖК-монитор). Поскольку напряжение настолько высокое, W-TENG генерирует электрическое поле вокруг себя, которое можно воспринимать беспроводным способом. Его электрическая энергия также может храниться беспроводно в конденсаторах и аккумуляторах.
«Это может не только дать вам энергию, но и использовать электрическое поле также как пульт дистанционного управления. Например, вы можете нажать W-TENG и использовать свое электрическое поле в качестве« кнопки », чтобы открыть дверь гаража, или вы можете активировать систему безопасности - все без батареи, пассивно и без проводов », - сказал Саи Сунил Маллини, первый автор исследования и доктор философии. студент по физике и астрономии.
Беспроводные приложения W-TENG изобилуют, распространяясь на ограниченные ресурсами настройки, например, в космическом пространстве, в середине океана или даже на военном поле битвы. Таким образом, Подила говорит, что для изобретения команды существует определенное филантропическое применение.
«Некоторые развивающиеся страны требуют много энергии, хотя у нас может не быть доступа к батареям или розеткам в таких условиях», - сказал Подола. «W-TENG может быть одним из самых чистых способов получения энергии в этих областях».
Команда исследователей, снова возглавляемая Маллинни, находится в процессе патентования W-TENG через Исследовательский фонд Университета Клемсона. Профессор Apparao Rao, директор Института наноматериалов Клемсона, также ведет переговоры с промышленными партнерами, чтобы начать интеграцию W-TENG в энергетические приложения.
Однако, до промышленного производства, Подила говорит, что проводится больше исследований, чтобы заменить тефлон более экологически чистым, электроотрицательным материалом. Претендентом на редизайн является MXene, двумерное неорганическое соединение, которое имеет проводимость переходного металла и водолюбивую природу спиртов, таких как пропанол. Yongchang Dong, еще один аспирант CNI, возглавил работу над демонстрацией MXene-TENG, которая была опубликована в статье за ноябрь 2017 года в журнале Nano Energy . Герберт Беклоу и Шрипара Бхаттачарья из CNI также внесли свой вклад в эти исследования.
Будет ли W-TENG оказывать влияние в сфере альтернативных, возобновляемых источников энергии? Рао говорит, что это сведется к экономике,
«Мы можем только воспринимать это так далеко, как ученые, экономика должна работать, чтобы W-TENG была успешной», - сказал Рао.