Наногенераторы. Виды и устройство. Работа и применение

Наногенераторы – уникальные устройства, которые способны вырабатывать электрическую энергию из любых видов микроколебаний. Необходимо лишь сжать в пальцах наногенератор, чтобы начал вырабатываться электрический ток. Разработка и внедрение наногенераторов открывает широкие перспективы. Совсем скоро можно будет полностью отказаться от аккумуляторов. Для зарядки IPod или мобильного телефона будет достаточно провести по экрану пальцем или вытянуть руку. Эти технологии пока что не совершенны, нет серийных изделий, однако разработки идут полным ходом.

Устройство

Над устройствами наногенераторов параллельно работают разные ученые. В лаборатории технологического института Джорджии созданы два типа наногенератора, которые инкапсулированы в полимерную пленку. Оба генератора представляют тонкий лист пластика, который имеет размеры листа бумаги для записей.

Подобные наногенераторы включают:

Кремниевая подложка.
Выходные электроды.
Нанопровода из оксида цинка.
Платиновые электроды.
Полимерный наполнитель.

Nanogeneratory ustroistvo

Работа данных наногенераторов базируется на пьезоэлектрическом эффекте. Толщина нанопроводов, применяемых в устройстве, составляет всего несколько сотен нанометров. Их делают только химическим способом. С целью повышения срока работы наногенератора применяется пластик, который заполняет пространство между нанопроволоками. Небольшое допустимое сжатие наногенератора обеспечивает генерацию напряжения порядка 0,24 В.

Более мощный генератор этого же института создан по схожему принципу, однако включает существенно большее количество нанопроводов.

Устройство наногенератора включает следующие элементы:

Металлизированная подложка.
Полимерный корпус.
Нанопровода из оксида цинка.
Выходные электроды.

Выходное напряжение подобного генератора прямо пропорционально сумме величин механической деформации, которой нанопровода подвергаются.

Принцип действия

Современные генераторы способны превращать любые движения в источник энергии. Это могут быть различные колебания жидкости, перемещения или биологическая вибрация. Ученые-исследователи даже смогли объединить солнечную батарею и наногенератор, создав аппарат, который может воспользоваться солнечной и механической энергией.

Основой революционного изобретения стал многослойный силиконовый материал, который представляет тонкие листы, выполненные из экологически чистых веществ, в том числе полипропиленовый ферроэлектрет, полиимид и серебро. К ним добавляются ионы так, чтобы каждый слой устройства имел заряженные частицы. Электричество появляется в момент, когда устройство подвергается определенному сжатию вследствие движений человека, то есть обеспечивается механической энергией.

Nanogeneratory v obuvi

Это устройство называют биосовместимый ферроэлектретный наногенератор. Его толщина равна толщине листа бумаги, он может иметь различные формы и размеры. Устройство может быть большим, однако если сложить его несколько раз, то можно получить больше энергии и меньший размер. В результате можно сделать достаточно компактное устройство, к примеру, для размещения его в специальном каблуке обычной обуви. Электричество будет генерироваться каждый раз, когда обувь будет касаться земли.

За счет накапливания заряда энергии от нанопроводников, сделанных из оксида цинка, генераторы вполне могут питать небольшие электрические приборы. Сечение проводников таково, что в разрезе человеческого волоса их можно собрать до 500 штук. Маленькие размеры указанных проводов дают возможность применить принцип гибких полимерных микросхем, их размер составляет не более части почтовой марки. В результате получается микрочип, имеющий несколько миллионов нанопроводников.

Цепь из пяти подобных микросхем, на выходе обеспечивает напряжение в 3 Вольта и ток нагрузки равный 1 микроампер. Данные показатели эквиваленты параметрам обычных батареек формата AA. Наногенератор имеет простой принцип зарядки, его достаточно сдавить пальцами. Опыты продемонстрировали, что генерируемой энергии вполне хватает для работы LED-мониторов и слаботочных цифровых приборов с применением светодиодов. При увеличении числа нанопроводников в микрочипе появляется возможность создания эффективных схем электрического питания мобильных телефонов.

Применение

Основные секторы применения наногенераторов достаточно широки — от умных линз до зарядки умных очков и часов, питания ноутбуков и мобильников. Однако все это на данный момент не дошло до серийного использования. Большинство технологий по созданию наногенераторов не доведены до масштабного производства. На данный момент наногенераторы испытываются и дорабатываются в лабораторных условиях.

Nanogeneratory razrabotki

На текущий момент указанными разработками активно занимаются известные корейские исследователи, которые уже создали значительное количество разных трибоэлектрических генераторов. Мощности большинства из этих устройств вполне хватает для питания умных часов и очков.

Ученые создали специальный текстильный материал, который позволяет превращать механическую энергию движений в электрическую.
Созданы устройства, которые могут преобразовывать в электричество энергию трения автомобильных колес об дорогу.
Корейские ученые создали звукоуправляемые генераторы энергии. Получаемой энергии достаточно для применения в разных электронных приборах с низким потреблением энергии – устройства, имплантируемые в человеческое тело, электронная бумага или самозарядные датчики.
Создан наногенератор на основе вируса. На данный момент он состоит из двух электродов и тонких пленок с вирусом. Данная технология позволит создать производство биошаблонных генераторов.

Создаются и другие виды наногенераторов, работающих на иных принципах.

Особенности

Наногенераторы могут функционировать в любых средах при соответствующей упаковке. Поэтому создаются опытные устройства, работающие от морских течений.
Среди поверхностей, на которые можно наращивать нанопровода, могут быть полимеры, керамика, одежда, металлы и даже палатки.
Изделия при внедрении в серийное производство будут невероятно легкими, гибкими и надежными. Их низкая стоимость позволит применять их повсеместно.

Виды

Современные генераторы могут быть поделены на виды устройств, от которых они работают:

Механические.
Звуковые.
Жидкостные.
Биологические.
Гибридные.

Устройства могут отличаться и конструктивно. Так пьезоэлектрический прибор может иметь разное устройство:

В качестве пьезоэлектрической проволоки применяется пьезоэлектрическая трубка или лента.
В качестве материала пьезоэлектрического элемента применяется полупроводниковое соединение ZnO.
Материал второго электрода выполнен из материалов группы серебро, золото, палладий или платина.
Второй электрод выполнен на поверхности анодного оксида алюминия.
Применяется массив пьезоэлектрических элементов, у которых первый и второй электроды являются общими, они включаются параллельно друг другу.
Первый и второй электроды склеиваются между собой эластичным материалом.

Достоинства и недостатки

Достоинства:

Большие перспективы.
Миниатюрность, легкий вес, масштабируемость, биосовместимость, надежность и низкая стоимость.
Устойчивость к деформациям, благодаря чему можно получать высокую выходную мощность.
Наноструктуры из оксида цинка способны выдержать значительное число деформации. Благодаря этому их можно применять в электронных приборах, а также источниках энергии, подвергаемых деформации.
Гибкие полимерные подложки, применяемые для наногенераторов, позволят имплантировать некоторые устройства в органы человеческого тела.
Материалы из оксида цинка нетоксичны, благодаря чему их можно применять в биомедицинских исследованиях.

Недостатки:

Использование лишь в качестве опытных экземпляров. Серийное использование планируется только в перспективе.
Неотработанные технологии.
«Природный» спектр колебаний имеет широкий разброс по частотам. Однако наногенераторы могут «реагировать» лишь на значительно узкие диапазоны частот. Необходимо совершенствовать конструкцию и применяемые материалы устройства.

Перспективы

Все устройства, работающие на аккумуляторах, смогут заряжаться лишь от одного взмаха руки или движения пальца. Это позволит навсегда распрощаться с аккумуляторами, а также зарядными устройствами.
Наногенераторы с внедрением новых технологий станут настолько миниатюрными, что они позволят создавать «вечные» чипы крошечного размера. Они будут вживляться в человека с целью его идентификации, хранения личной иной информации.
Именно благодаря наногенераторам будут внедрены в жизнь многие перспективные наноустройства – медицинские, исследовательские и военные. Будут создаваться военные и гражданские роботы. Для лечения многих болезней, в том числе и рака, будут созданы микророботы на основе наногенераторов.
Будут созданы искусственные растения, работающие на наногенераторах.
Создание умной одежды и иных перспективных устройств.
Могут быть созданы автомобили, которые будут работать только за счет наногенераторов.