Международная группа исследователей из США, Южной Кореи и Китая разработала нить на основе углеродных нанотрубок, которая вырабатывает электричество при растяжении. Один килгорамм такой нити имеет пиковую мощность выработки энергии в 250 ватт. Ученые считают, что разработка найдет применение в «умной одежде», которая будет самостоятельно вырабатывать энергию для различных сенсоров, а также в других областях. Исследование опубликовано в журнале Science.

Носимая электроника развивается высокими темпами, и одна из главных проблем в этой области заключается в том, что такие устройства должны быть легкими и небольшими, но в то же время работать продолжительное время. Для этого ученые разрабатывают материалы, которые позволяют вырабатывать электричество из движений тела и таким образом убирают надобность во внешнем питании и зарядке. Но многие из них, такие как трибогенераторы, недостаточно малы и удобны для внедрения в носимые устройства.

Shi Hyeong Kim et al. / Science, 2017

Исследователи решили разработать материал, который также превращал бы энергию движения человеческого тела в электричество, и при этом его можно было бы легко встроить в одежду. Для этого они создали нить из многостенных углеродных нанотрубок. В качестве основы ученые взяли лист из нанотрубок, после чего его скрутили в трубку, которую затем скручивали в нить. Исследователи экспериментировали с нитями нескольких видов с разной топологией.

Схема скручивания листа из нанотрубок в нить. Shi Hyeong Kim et al. / Science, 2017

Для того, чтобы такая нить вырабатывала электричество, она должна быть помещена в электролит. По сути, такая нить представляет собой конденсатор, который накапливает в себе заряды. При растяжении, объем нити в поперечном сечении уменьшается, и заряды становятся ближе к друг другу. Поскольку к нити присоединены электроды, в цепи возникает электрический ток.

Исследователи продемонстрировали несколько применений разработки. Чтобы показать, что в качестве электрода можно использовать распространенные жидкости, они испытали такой генератор сначала в соленой воде в лаборатории, а затем в океане на берегу Южной Кореи. При использовании десятисантиметровой нити ученые смогли получить напряжение в 46 милливольт, что было достаточно для питания одного светодиода. Также они вплели такие нити в рубашку одного из участников исследования и присоединили электроды к осцилографу. Чтобы не использовать жидкости, они нанесли на нить проводящий гель. Выяснилось, что небольшой электрический ток вырабатывается даже при дыхании.

Ученые признают, что пока эффективность такого генератора не очень высока, но учитывая его небольшой вес, по их мнению такие нити можно будет использовать при создании одежды для питания энергоэффективных датчиков. Стоит отметить, что даже использование гелевого, а не жидкого электролита выглядит как условие, сильно ограничивающее реальное применение технологии.

В начале лета финские ученые публично продемонстрировали новый материал для вырабатывания электричества из повседневных источников. Но в отличие от аналогичных материалов, их разработка может получать энергию из трех источников: тепла, света и механической энергии.

Автор: Григорий Копиев