Помните 2012 год? Тогда все обсуждали майя и их предсказание конца света. Никакой глобальной трансформации мира тогда не произошло. Но зато в тот год был сделан научный шаг, который (вместе с другими изобретениями, конечно), возможно, позволит нам в будущем как раз таки избежать ужасных катастроф, вызванных последствиями выработки и потребления людьми колоссальных объемов энергии. Итак, что же это был за шаг, и как с ним связаны политехники сегодня?
В 2012 году профессор Чжунлинь Ван впервые предложил концепцию трибоэлектрических наногенераторов (TENGs, ТЭНГ). А в 2024 исследователи Политеха Петра разработали свой вариант ТЭНГ.
Наногенератор, ТЭНГ — это небольшой чип, собирающий механическую энергию, такую как движение человека, вращение шин, ветер, приливные силы, а затем преобразующий её в электричество. Это происходит за счет трибоэлектризации.
В детстве, наверное, все терли воздушный шарик о волосы, чтобы произошла магия электризации. Если вы так не делали, то про напряженные отношения между эбонитовой палочкой и мехом в школе вам уж точно рассказывали. Всё это явления одного порядка, связанные с трибоэлектрическим эффектом.
Трибоэлектрический эффект — это разновидность контактной электризации, при которой два материала становятся электрически заряженными после разрыва физического контакта. При контактной электризации заряд перемещается за счет переноса электронов, направление которого зависит от материалов, участвующих в процессе.
Типичный ТЭНГ состоит из электрода и диэлектрического материала. Под действием внешней механической силы на соприкасающихся поверхностях образуются трибоэлектрические заряды, плотность которых возрастает и насыщается после нескольких циклов генерации. Трибоэлектрические заряды в конечном итоге равномерно распределяются по соприкасающимся поверхностям с одинаковой величиной, но противоположной полярностью. Суперсила ТЭНГ в том, что он способен извлекать высокоэнтропийную микро-нано-механическую энергию, которую мы сейчас, даже не задумываясь над этим, производим, но не используем. Например, наш телефон лежит в кармане джинсов, между тканью и устройством возникает трение, и энергию от этого контакта можно научиться собирать для подзарядки самого смартфона. Но для создания наногенераторов нужно объединить знания из материаловедения, химии, физики, электротехники, медицины и других областей, поэтому это нетривиальная задача. Ученые разрабатывают различные конструкции ТЭНГ, чтобы улучшить такие параметры, как стабильность, долговечность, расширяемость и стоимость подготовки.
ТЭНГ политехников
Специалисты Политеха Петра провели исследование по созданию наногенераторов такого строения: композитные пленки из полидиметилсилоксана (ПДМС, в быту — силикон), легированные* углеродной сажей фуллерена**.
*Легирование (допирование) — процесс внедрения примесей в полупроводник для изменения его проводимости.
**Фуллерены — класс молекул, представляющих собой одну из форм существования углерода (так называемых аллотропных модификаций). Всем известные алмаз и графит — тоже не что иное, как разные аллотропные формы углерода, однако в структуре алмаза атомы углерода собраны в тетраэдры, графит состоит из плоских слоев, образованных шестиугольниками, а фуллерены — это шарообразные молекулы. Самый простой из фуллеренов содержит 60 атомов углерода и напоминает по своей структуре футбольный мяч.
Опыты, в итоге, зафиксировали, что электрической энергии, вырабатываемой придуманным наногенератором, достаточно для освещения 72 светодиодов, а также для питания таких устройств, как цифровые часы, кухонный таймер или спортивный секундомер.
Кроме того, этот ТЭНГ может генерировать разные электрические сигналы в ответ на разные виды механической энергии, что позволяет использовать его как датчик для мониторинга механических движений.
Также ученые экспериментировали с различными массовыми долями фуллереновой углеродной сажи. Оптимальные характеристики изготовленного наногенератора наблюдались при добавлении фуллерена в количестве 0,15%.
ТЭНГ могут
- имплантироваться в подошвы обуви, чтобы использовать энергию, которую мы генерируем при движении;
- использоваться устройствами мониторинга здоровья (например для определения ЧСС);
- определять местоположение постороннего в доме, минимизировать риск ограбления, если их спрятать под ковром у входной двери или на дверной ручке, под полом.
- определять траекторию движения мяча для пинг-понга; эта технология помогает судьям принимать решения относительно счёта в игре.
Стремительное развитие интернета вещей и ИИ сегодня оказывает значительное давление на системы электропитания. И, возможно, ТЭНГ станет в итоге одной из технологий, которая поможет уменьшить загрязнение окружающей среды благодаря снижению высоких расходов, связанных с частой заменой батарей и регулярной подзарядкой множества носимых устройств.
📌 Результаты исследования описаны в статье.
Подписывайтесь на канал «Теория большого Политеха», чтобы вместе с нами экономить, используя неочевидные способы получения энергии!
Что ещё почитать?