Видимо, именно этот принцип группа профессора Ванга (Wang), который удачно совмещает работу в пекинском институте наноэнергетики и наносистем и технологическом университете Джорджии, избрала своей максимой. За последние полгода в свет вышло в общей сложности 7 работ только в журнале американского химического общества ACSNano (impact factor 12.062), о них-то мы сегодня и поговорим. Тем более, что данные системы имееют реальные шансы стать основной запитки носимых датчиков и умной одежды.

Вместо предисловия

В начале нынешнего года была опубликована работа и её краткий пересказ на Хабре о получении электроэнергии за счёт трибоэлектричества. Выглядело это тогда, как некоторая экзотика, возможно, не имеющая нормального применения в народном хозяйстве, хотя авторы статьи указывали, что на базе разработки можно создать, например, автономную погодную станцию. Каково же было моё удивление, когда, как из рога изобилия, начали сыпаться статьи в высокорейтинговом журнале, в которых была предложена масса способов применения электроэнергии статического электричества.

Но начнём с главного – с небольшого экскурса в физику и повторения материала предыдущей статьи. Итак, многие из нас сталкивались в повседневной жизни с таким явлением, как трибоэлектричество, то есть электричество (или более точно, разделение зарядов), возникающее при трении двух материалов или веществ (например, с разной плотностью). При этом такое разделение зарядов можно описать двумя основными характеристиками: собственно, величиной заряда (или тока) и разностью потенциалов. Конечно, эти характеристики зависят от многих параметров: влажности, температуры, природы используемых материалов и так далее.

Если у тебя, дорогой Почитатель Хабра, есть дома синтетическое покрывало-плед, то в темноте, перебирая этот плед, можно увидеть искры, проскакивающие между телом или отдельными участками оного, а также почувствовать запах «грозы» (озона) и оксидов азота. Аналогичные примеры – опыты от канала «Простая Наука»:

Или вот ещё:

Обычно, на уроках по физике в школе этот эффект преподносится, как нечто бесполезное или даже вредное (например, для компьютерной техники, в авиации), однако, это не совсем так – давайте обратимся к примерам.

Hört ihr mich?

«Вы меня слышите?» — как пелось в одной песни немецкой группы Rammstein. Да, с уверенностью сказали авторы работы, предложившие использовать трибогенератор для самозапитывающегося микрофона, акустического определения положения тела и ещё для акустических весов.

Схема разработанного устройства представлена ниже. Стоит отметить, что она мало чем отличается от всем привычного нам микрофона, с той лишь разницей, что вместо электромагнитных эффектов, таких как изменение индукции или ёмкости конденсатора, измеряемой характеристикой является, как и случае с трибогенератором, ток.

Схема устройства самозапитывающегося микрофона и детектора акустических волн (PET – полиэтилентерефталат, PTFE – тефлон)

Конечно же, были определены и акустические характеристики. Естественно, что чем выше громкость (чем ближе источник звука к самому микрофону), тем лучше работает такой микрофон, однако не стоит забывать, что устройство не требует внешнего источника питания, сигнал потенциально может быть усилен приёмником.

Электрические и акустические характеристики полученного устройства: (a) напряжение разомкнутой цепи, (b) ток короткого замыкания, (с) зависимости этих характеристик от расстояния до активного элемента и (d) диаграмма направленности микрофона

Коль скоро, микрофон имеет такую диаграмму направленности, то грех на его основе не создать детектор положения источника звука, причём самозапитывающийся. Собственно, что и было проделано на основе корреляций сигнала между несколькими источниками:

Пример использования устройства для детектирования источника звука

И это ещё не всё, также подобного рода мембрана может быть использована для взвешивания предметов посредством звука, как продемонстрированно в данном видео. Учёным удалось добиться чувствительности 270 мВ/мг, взвешивая массы от 40 мг до 400 мг. В принципе, такие весы могут найти своё применение в ювелирной промышленности из-за крайне низкой цены и высокой чувствительности.

Видео о работе микрофона и детектора положения звука можно посмотреть на официальном сайте или Yandex-Disk.

Оригинальная статья в ACSNano (DOI: 10.1021/nn4063616).

Туда-сюда-обратно, тебе и мне – электричество.

(a, b) Схема трибоэлектрического генератора. (с-e) Полимерная плёнка (каптон) с медными контактами в собранном и разобранном состоянии

Выглядит данное устройство слегка кхм-кхм… эротично, но что поделать, наука требует жертв. Если в первой статье полимерная пластинка с небольшим медным участком колебалась между двумя электродами, то теперь электрический заряд накапливается при перемещении двух полимерных плёнок друг относительно друга, как показано на рисунке:

Принцип работы трибоэлектрического генератора (a), а также данные моделирования для данной системы (b-f).

Авторы также опубликовали пару видео (посмотреть можно с официального сайта издательства или с Yandex-Disk), как можно приводить в действие данный трибогенератор от движения волн или человека.

И хотя максимальная выходная мощность составляет всего 10–12 мВт (1.36 Вт/м2) при токе около 300 мкА и при скорости движения 1 м/с для продемонстрированного устройства, потенциально это может быть использовано для навигационных маяков, а также, чем чёрт не шутит, в носимой «умной» одежде для подпитки встроенного кардиометра или трекера, например. Подробнее об этом поговорим в самом конце статьи.

Оригинальная статья в ACSNano (DOI: 10.1021/nn500694y).

Логическим продолжением данной работы явилась разработка двух моделей генератора электроэнергии с помощью волн и капель дождя.

В первом случае накатывающая волна приносит с собой некоторый заряд, который «поглощается» полимерной плёнкой фторированного полиэтиленпропилена (FEP), как представлено на рисунке:

Схема работы трибоэлектрического генератора на основе приливных волн

Мощность такого генератора оказывается на уровне единиц Вт/м2, но с учётом того, что такая установка может быть размещена вдоль неиспользуемого побережья, перспективы, в принципе, обнадёживающие и заманчивы. К тому же дождь или стекающая вода также могут быть использовать для выработки электроэнергии – видео (официальный сайт издательства или с Yandex-Disk).

Оригинальная статья в ACSNano (DOI: 10.1021/nn5012732).

Во втором случае, использовалась более сложная двухконтурная система, которая позволяет конвертировать не только электростатическую электроэнергию от перекатывания капель, но и получать энергию от ударного взаимодействия капель с поверхностью.

Общая схема двухконтурного трибоэлектрического генератора: первый контур – наночастицы диоксида титана, обеспечивающие несмачиваемость поверхности и скатывание капель дождя, второй контур – наночастицы диоксида кремния, соприкасающиеся с тефлоновой плёнкой при ударе падающей капли

Капля, попадая на наклонную поверхность такого генератора, несёт с собой некоторый заряд (допустим положительный), а в процессе перекапывания по поверхности электризует полимерную плёнку (соответственно, отрицательно), а медный электрод лишь «собирает» этот избыточный отрицательный заряд. Второй же контур работает на принципе описанном несколько раз выше: наночастицы диоксида кремния при ударе соприкасаются с тефлоновой плёнкой, создавая разность потенциалов и электризуясь. Подробности работы двух контуров по отдельности в схематическом виде представлены ниже:

В конечном счёте, первый контуру даёт мощность около 1.3 Вт/м2, тогда как контур, утилизирующий механическую энергию падения капель позволяет дополнительно получить до 0.3–0.4 Вт/м2. К тому же, на основе таких систем могут быть созданы самозапитывающиеся сенсоры различных молекул. В частности, в статье приведён пример с этанольным сенсором, позволяющим определять доли процента данного соединения. А в условиях крупных мегаполисов это могут быть датчики различных газов для определения экологического состояния воздузха.

Видео, демонстрирующее работу устройства, можно посмотреть на официальном сайте издательства или c Yandex-Disk.

Оригинальная статья в ACSNano (DOI: 10.1021/nn501983s).

Навстречу носимым системам подзарядки

И последняя пара статей на сегодняшний день, о которых хотелось бы рассказать, посвящена фактически прототипу зарядки, который через пару лет может быть встроен в нашу повседневную одежду для элементов умной одежды.

Схема концепта для выработки трибоэлектричества за счёт сжатия и растяжения

Суть данной разработки заключается в том, что при сжатии или растяжении опять-таки возникает статическое или трибоэлектричество, которое может быть запасено при ходьбе или беге и направлено, например, на зарядку вашего смартфона, лежащего в кармане. В принципе, такие системы также могут быть использованы для выработки электроэнергии от падения капель или приливных волн, как было продемонстрировано выше. И хотя вырабатываемая мощность не так велика (~0.4 Вт/м2), её вполне хватило на то, чтобы запитать массив LED в проведённых экспериментах (см. видео).

Также авторы опубликовали несколько видео, демонстрирующих работу устройства, которые можно посмотреть на официальном сайте издательства или с Yandex-Disk.

Оригинальная статья в ACSNano (DOI: 10.1021/nn502618f).

Однако максимальная мощность описанной выше платформы для выработки трибоэлектричества достигается при частоте сокращений более 100 Гц, что, согласитесь, более интересно для спортсменов, однако во второй работе учёные создали ткань на основе обычных хлопчатобумажных нитей, которая позволяет вырабатывать электричество за счёт сокращений мышц при ходьбе, например, или простого похлопывания.

Новая ткань, позволяющая вырабатывать электроэнергию: специальные волокна вплетаются в обычное хлопчатобумажное

В данном случае хлопчатобумажные волокна сначала покрываются углеродными нанотрубками, а затем часть из них дополнительно тефлоном. Далее пары таких волокон вплетаются в обычную ткань и могут работать, как генератор трибоэлектричества за счёт перемещения и трения волокон друг о друга.

Электрический принцип работы двух волокон для получения трибоэлектричества

Вновь стоит оговориться, что удельная мощность таких устройств не так велика, как хотелось бы, равно как и накапливаемый заряд – всего несколько нКл за полминуты, однако, этого хватает, чтобы оживить монохромный дисплей простым движением пальца (см. видео).

Или же, такого малого количества электроэнергии вполне может хватить для какого-нибудь сенсора, встроенного в одежду, например, термометра, для активации которого достаточно лишь похлопать по месту расположения трибогенератора.

Носимый самозапитывающийся термометр – ещё один шаг к носимой электронике

Видео с демонстрациями можно посмотреть на официальном сайте издательства или на Yandex-Disk.

Оригинальная статья в ACSNano (DOI: 10.1021/nn501732z).