Исследователи из технологического института штата Джорджия (США) разрабатывают новую технологию питания приборов нанометрового размера, не основанную на использовании громоздких источников, таких, как батареи. Идея новинки строится на преобразовании механической энергии движения тела, растяжения мускулов или тока воды в электрическую энергию при помощи «наногенераторов». Как утверждается, их применение сделает возможным создание нового класса автономных медицинских приборов, миниатюрных датчиков и портативных электронных устройств.
Питание наноприборов – серьезная задача, в известной мере сдерживающая их разработку и применение. Привычные источники, такие, как батареи, слишком велики. Кроме того, наличие в их составе токсичных компонентов ограничивает область применения, не позволяя использовать наноприборы в человеческом организме.
Принцип работы наногенераторов, коротко говоря, базируется на деформации и последующем выпрямлении нанопроводников из оксида цинка, который имеет пьезоэлектрические и полупроводниковые свойства. В ходе исследования, выращенный учеными массив нанопроводников был подвергнут механическому воздействию при помощи «щупа» атомного микроскопа (atomic-force microscope, AFM), приводящему к их деформации. Растяжение одной стороны проводника при одновременном сжатии другой приводило к разделению положительно и отрицательно заряженных частиц вследствие пьезоэлектрического эффекта. Заряды сохранялись на нанопроводниках, поскольку между ними и щупом формировался барьер Шотки. Передвигая щуп, исследователи замеряли ток, возникающий при восстановлении формы проводников.
На верхнем снимке, сделанном при помощи электронного микроскопа, виден массив нанопроводников из оксида цинка. Средняя картинка схематически показывает, как электричество вырабатывается при их деформации щупом AFM. Нижнее изображение дает картину изменения выходного напряжения «генератора» в процессе «поглаживания» щупом массива проводников.
Этот и другие эксперименты позволили сделать вывод о перспективности использования нанопроводников из оксида цинка в качестве основы для построения электрогенераторов. Благодаря своим микроскопическим размерам, нанопроводники оксида цинка могут отклоняться на 50º, несмотря на то, что сам материал представляет собой, по сути дела, керамику. Оксид цинка нетоксичен, поэтому подходит для применения в медицинских приборах. Ученые полагают, что подобные генераторы смогут преобразовывать энергию движения жидкости (представьте что-то вроде приливных электростанций в миниатюре) и газообразной среды - акустических и ультразвуковых волн. Удобно, что в качестве подложки для выращивания нанопроводников могут быть использованы не только кристаллы, но и полимерные пленки, то есть генераторы могут быть гибкими. Ученые полагают, что им удастся довести эффективность преобразования механической энергии в электрическую до 30%. Когда это произойдет, квадратного «газончика» из нанопроводников с длиной стороны около 10 мкм будет достаточно для питания одного наноприбора, причем генераторы сравнительно легко объединить вместе, увеличив выходную мощность.
Другими словами, возможно, что в будущем портативная электроника научится получать энергию буквально «из ничего»: движений пользователя, дуновения ветра, шума окружающей среды.
Показательно, что исследования финансирует не только Национальный научный фонд США (National Science Foundation, NSF) и Национальное агентство по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA), но и Управление перспективного планирования оборонных научно-исследовательских работ (Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA) – по сути дела, американские военные.
Источник: Технологический институт Джорджии