Специалисты Института нанотехнологий, электроники и приборостроения ЮФУ разрабатывают наногенераторы на основе углеродных нанотрубок, легированных азотом, которые преобразовывают деформации и вибрации городского шума, движений и разговора человека в электрическую энергию. Такие генераторы станут новыми источниками автономного питания для носимой электроники: электронных часов, телефонов, наушников.

Как известно, углеродные нанотрубки (УНТ) были открыты в 1991 году, после чего начался «бум» в исследовании их свойств и применений. Однако, многие прогнозы не оправдались из-за ряда технологических сложностей, связанных с ростом бездефектных УНТ, близких по свойствам к модельным структурам, и формированием к ним контактов.

Сейчас начался второй бум в этом направлении, связанный с исследованием именно несовершенных УНТ, в состав которых добавлены (легированы) гетероатомы (азота, кислорода, бора), и их применения в области энергетики для хранения или преобразования энергии в электрохимических конденсаторах, топливных элементах и литий-ионных аккумуляторах. Эта тематика, несомненно, сейчас находится на пике и открывает новые перспективы для практической реализации устройств на основе УНТ.

Сегодня активно реализуется идея создания автономных, то есть не требующих подзарядки, источников питания для устройств персональной и носимой электроники на основе наногенераторов, способных преобразовывать и накапливать энергию из окружающей среды. Это направление активно развивают сотрудники Института нанотехнологий, электроники и приборостроения ЮФУ.

Так, в новом исследовании группы ученых: кандидатов технических наук Олега Ильина, доцента Владимира Смирнова, магистранта Ольги Соболевой и постдока Сослана Хубежова под руководством доцента Марины Ильиной рассмотрели легированные азотом углеродные нанотрубки (N-УНТ) в качестве перспективного материала для создания таких наногенераторов и установили значения длины, диаметра и модуля Юнга N-УНТ, обеспечивающие наиболее эффективное преобразование внешних механических воздействий в электрический потенциал.

«Идея по разработке наногенераторов на основе преобразования механической энергии окружающей среды в электрическую энергию с помощью пьезоэлектрического эффекта в наноразмерных структурах была заложена в 2006 году. И с тех пор идет поиск подходящего материала для ее реализации. Классические пьезокерамические структуры не подходят, так как являются хрупкими и, как правило, токсичными из-за наличия свинца в составе, а пьезоэлектрические полупроводниковые наноструктуры (оксид цинка, нитрид галлия) обладают недостаточно высоким значением пьезоэлектрического модуля для эффективного преобразования энергии», — рассказала Марина Ильина.

В работе исследовалось влияние геометрических и механических параметров N-УНТ на величину пьезоэлектрического модуля и генерируемого тока. Было установлено, что легирование нанотрубки азотом пиррольного типа приводит к одновременному увеличению механических и пьезоэлектрических параметров, что позволяет существенно повысить величину тока, генерируемого при деформации.

Другим важным результатом стала установленная зависимость пьезоэлектрических свойств N-УНТ от их длины и диаметра. Как известно, в классических пьезоэлектриках величина пьезоэлектрического модуля не зависит от их геометрических параметров. Однако в N-УНТ при невысоких значениях аспектного отношения длины к диаметру (7–30) наблюдается линейное увеличение пьезоэлектрического модуля, а при больших значениях аспектного отношения зависимость уходит в насыщение. Поэтому целесообразно использовать массивы N-УНТ с аспектным отношением около 30, чтобы добиться высокого значения пьезоэлектрического модуля и сохранить высокую «чувствительность» N-УНТ к внешним механическим воздействиям.

«Результаты данного исследования показывают, что легированные азотом углеродные нанотрубки являются превосходным кандидатом для разработки высокоэффективных наногенераторов благодаря сочетанию высоких механических и пьезоэлектрических свойств, что позволяет сделать существенный шаг вперед для практической реализации данной идеи», — отметила ученая.

Самозаряжающиеся гаджеты, не являющиеся токсичными для организма человека, — звучит, будто фантастика или анонс технологического будущего, в котором, вероятно, будут жить наши правнуки. Однако это ближайшая реальность. По оценкам специалистов, разработанные наногенераторы на основе N-УНТ способны эффективно преобразовывать нано- и микроразмерные деформации и вибрации, возникающие под действием городского шума, движений и разговора человека, в электрическую энергию, достаточную для питания устройств персональной электроники: электронных часов, телефонов, наушников и прочего.

Исследование, опубликованное в журнале Low Power Electronics and Applications, поддержано Российским научным фондом в рамках проекта «Разработка пьезоэлектрических наногенераторов на основе вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, допированных азотом».