(Chemistry World 29.01.2010)
Многие из вас слышали о механизмах, которые преобразуют избыточную механическую энергию. Например, механические часы с кинетической роторной системой заводки пружины, внутри которых, специальный механизм, преобразует избыточную энергию движения руки и заводит пружину при каждом взмахе.
Исследователи давно ищут и пытаются разработать генераторные системы, способные преобразовывать механическую энергию непосредственно в электрическую. Однако, все разработанные системы этого типа, не отличаются высоким коэффициентом преобразования механической энергии в электрическую. И только, совсем недавно, удалось добиться определенных успехов.
Исследователи из США, Германии и Китая, заявили, что создали систему преобразования механической энергии в электрическую, которая не имеет аналогов в мире.
Работа нового наногенератора основана на пьезоэлектрическом эффекте органического волокна, на котором возникает разность потенциалов электрических зарядов при механической деформации. Работа ранее разработанных наногенераторов была основана на пьезоэлектрическом эффекте неорганических волокон изготовленных из ZnO или BaTiO3, но используя поливинилиденфторид (PVDF, фторопласт), Ливэй Лин и его команда в Университете Калифорнии в Беркли (UCB), добились более значительных результатов в преобразовании энергии.
Фотография нановолокна сделанная с помощью электронного микроскопа
Использование фторопласта, позволило исследователям относительно просто изготовить очень гибкую и надежную структуру наногенератора. Фторопласт, в своей обычной структуре состоит из тонких пленок, и не проявляет пьезоэлектрических свойств, поэтому, чтобы он приобрел необходимые свойства, его нужно механически растянуть в нить. Для этого, аспирант исследовательской группы Чан Цзе, применил электрическое поле, возникающее между шприцем, содержащим раствор полимера и алюминиевой подложкой – токоприемником. «Под действием электростатических сил, раствор с полимером притягивается к алюминиевой подложке, растворитель испаряется с уменьшением объема, в результате чего происходит натяжение фторопластовой нити. Растяжение фторопласта в нить с применением электрического поля, одновременно, приводит к структурному выравниванию диполей в полимерной цепи» - объясняет Чан. Если такую структуру, состоящую из алюминиевых электродов, и натянутых между ними фторопластовых нитей, изогнуть, на концах нитей возникают дипольные моменты. Т.к. сам фторопласт является хорошим диэлектриком, электрический ток возникнет, только если электроды замкнуть в электрическую цепь.
Максимальный достигнутый коэффициент преобразования механической энергии в электрическую, равен 0,218 (или 21,8%), а средний, стабильный – 0,125 (12,5%). «Достигнутые нами результаты, гораздо выше, чем имеющиеся на сегодня показатели коэффициента преобразования, составляющие от 0,5 до 4 процентов в созданных наногенераторах на основе фторопласта, и 6,8% в генераторах на основе оксида цинка» - подчеркнул Чан Цзе в интервью для Chemistry World.
«Ключевым достижением в данной работе является повышение эффективности преобразования до 20%. Это достижение доказывает, что такой способ преобразования механической энергии, может стать эффективным для обеспечения работы электронных устройств с автономным питанием» - комментирует Лин Ван Чжун, который является пионером в разработке ZnO пьезоэлектрических наногенераторов в Технологическом институте штата Джорджия, США.
Исследователи видят огромные перспективы в применении пьезоэлектрических наногенераторов электрической энергии, как источников питания для портативной электроники, которые можно интегрировать в одежду или другие предметы, находящиеся в движении. Лин подчеркивает, что «Эффективность наногенераторов может быть увеличена за счет уменьшения толщины фторопластовых нитей и увеличения их количества на единицу площади - это безграничные перспективы для исследований в этой области».
Andy Extance