За последнее десятилетие носимая электроника, особенно предназначенная для здравоохранения, приобрела значительную популярность. В плане более эффективного использования такой электроники ученые активно работают над поиском наилучших способов ее энергопитания. В настоящее время наиболее распространенным решением являются традиционные аккумуляторы, но они при постоянном использовании служат недолго. Методы беспроводной передачи энергии представляют собой альтернативное решение, но эти системы обладают ограниченной дальностью действия и мобильностью.
В качестве решения этой проблемы профессор Чой Бингемтонского университета штата Нью-Йорк в Бингемтоне, доцент Анвар Эльхадад и аспирант Ян Гао разработали новый метод извлечения влаги из воздуха и превращения этой воды в электричество устройством из бумаги.
В недавно опубликованной статье в журнале Small команда из Бингемтона рассказала о своем носимом устройстве на бумажной основе, которое обеспечивает стабильную высокоэффективную выработку энергии за счет улавливания влаги. “В будущем носимая электроника будет использовать методы сбора энергии, но сейчас эти методы очень нерегулярны по времени, случайны по местоположению и неэффективно преобразуются”, - указывает профессор Чой. “Меня заинтересовала эта тема, потому что влага в нашем воздухе присутствует повсеместно, и я понял, что извлекать энергию из влаги очень просто”.
Используя познания биоэлектроники и микросистем, накопленные за последние 15 лет, команда исследователей из Бингемтона заметила, что споры бактерий способны расщеплять молекулы воды на положительные и отрицательные ионы. Капилляры бумаги поглощают споры, создавая градиент с большим количеством положительных ионов сверху, чем снизу. Этот дисбаланс приводит к образованию электрического заряда. Использование двусторонней бумаги, которая является гидрофобной с одной стороны и гидрофильной с другой, улучшает поглощение влаги и удержание ионов внутри устройства до тех пор, пока они не будут обработаны.
Это исследование, по заявлениям ученых из Бингемтона, сводится к попытке разработки полностью бумажного устройства по выработке электричества из воздуха, которое будет гибким, пригодным для ношения, масштабируемым и одноразовым без ущерба для окружающей среды. Исследователи считают, что такой генератор электричества станет революционным решением для маломощных датчиков, доставки лекарств или электростимуляции.
Дополнительные улучшения и усовершенствования использования этого метода способны, по мнению исследователей, увеличить выходную мощность, разработку метода накопления энергии и его интеграцию с другими методами сбора энергии.
Еще одним направлением будущих исследований команды исследователей из Бингемтона планируются работы по уменьшению размеров устройства до уровня микроэлектромеханических систем (MEMS). “Размер одного устройства для меня слишком велик. Я специалист по MEMS!” - сказал профессор Чой. “Уменьшая размер каждого элемента и подключая больше ячеек в пределах небольшой площади, мы можем значительно повысить удельную мощность. Кроме того, поскольку мы используем бумагу, мы можем попробовать множество других идей, в том числе в технике оригами”.
В то время как другие исследователи разрабатывают долговечные носимые устройства, профессор Чой инстинктивно решил пойти в противоположном направлении и сосредоточиться на одноразовых устройствах, которые не будут загромождать свалки электронными отходами. “Я не хочу носить что-то целый день в течение четырех месяцев”, - сказал он. “Я хочу использовать такое устройство в течение короткого времени, а затем выбросить — так что в этом смысле бумага лучше всего подходит”.
Однако это не первый случай, когда создается устройство, вырабатывающее электричество из влаги в воздухе. В апреле с.г. исследователи из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Австралии успешно сконструировали белковые нити, вырабатываемые бактериями, таким образом, чтобы они могли производить электричество, используя влагу из воздуха. В пресс-релизе университета говорится, что это междисциплинарное исследование, включающее белковую инженерию и наноэлектронику, может однажды помочь ученым в разработке "зеленой электроники".