Корейские инженеры встроили трибоэлектрические наногенераторы, вырабатывающие ток за счет трения, в детские игрушки — получившиеся биосовместимые «умные» уточка и трещотка не требуют батареек и получают энергию за счет нажатия или взмаха, говоритсяв статье, опубликованной в ACS Sustainable Chemistry & Engineering.

Трибоэлектрические наногенераторы тока рассматривают как один из перспективных типов постоянных источников тока: в отличие от обычных батареек, они не требует регулярной замены, а кроме того, их можно сделать из материалов, безопасных для окружающей среды. Основаны такие устройства на использовании трибоэлектрического эффекта — появлении в материале электрического тока в результате трения. Пока такие электрогенераторы обладают слишком низкой мощностью для питания полноценных электронных устройств, поэтому в производстве и коммерческих устройствах не используются.

Инженеры под руководством Кима Сан-Чжэ (Sang-Jae Kim) из Национального университета Чеджу сделали первый шаг к коммерциализации автономных трибоэлектрических наногенераторов, использовав их для электропитания детских игрушек. Биосовместимые трибоэлектрогенераторы на основе полидиметилсилоксана с алюминиевыми электродами ученые встроили в два типа игрушек: в резиновых уточек и в хлопающие трещотки, — пластиковые лопасти в форме животных на палочке, которые хлопают, когда ими трясут. Эти генераторы использовались в качестве автономных биосовместимых источников тока, которые в ответ на внешнее воздействие питали встроенные в игрушки фотодиоды.

В хлопающей трещотке, при ее постоянном встряхивании с максимальной скоростью 1 метр в секунду удалось получить электрическое напряжение цепи короткого замыкания 30 вольт и ток 600 наноампер. Этого оказалось достаточно, чтобы при непрерывном встряхивании можно было питать светодиоды, расположенные в глазах игрушки. При этом ученые показали, что за 100 циклов работы такое устройство не теряет своих свойств.

Работа игрушки-трещетки с трибоэлектрическим генератором. A. Chandrasekhar et al./ ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2018

Другой игрушкой, которую ученые сделали «умной», добавив в нее трибоэлектрический силиконовый генератор, стала резиновая уточка. Для того, чтобы включить лампочки в глазах уточки, ее не нужно трясти, можно просто надавить на нее. В этом случае при скорости нажатия 1 метр в секунду напряжение достигало 130 вольт, а ток короткого замыкания — 1 микроампера. В этом случае, и за 700 циклов работы показатели устройства не падали.

Схема трибоэлектрического генератора внутри резиновой уточки. A. Chandrasekhar et al./ ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2018

Ученые отмечают, что автономные бисовместимые игрушки, реагирующие на внешнее воздействие, могут быть весьма востребованы, особенно принимая во внимание, что в последние годы растет популярность электронных игрушек (например, в США по статистическим данным более 97 процентов детей в возрасте до 4 лет пользуются электронными устройствами). Кроме того, возможность быстрой зарядки конденсаторов с использованием электрогенераторов дает возможность для их коммерческого использования и в других устройствах.

Чтобы трибоэлектрические наногенераторы действительно можно было использовать в более сложных электронных устройствах, ученым необходимо добиться повышения их мощности. Например, недавно физики показали, что повысить максимальную мощность аналогичных трибоэлектрических устройств на основе полидиметилсилоксана можно с использованием мятой золотой пленки в качестве одного из электродов. А чтобы можно было растягивать устройства на основе трибоэлектрических наногенераторов в три раза, химики использовали в качестве электрода упругий полимер с проводящей жидкостью.

Автор: Александр Дубов