Российские ученые усовершенствовали трибоэлектрические наногенераторы

МОСКВА, 6 апр — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Одежда, которая вырабатывает электричество во время движения, промышленные генераторы для альтернативной энергетики — наука вплотную подошла к созданию источников энергии нового типа. В чем их преимущество, разбиралось РИА Новости.

Ученые давно мечтали извлечь пользу из трения, возникающего, например, при ходьбе, дыхании. Но активность людей хаотична, нерегулярна, эффективно использовать ее традиционными методами, не нарушая привычную жизнь, не получится. Надежду дает особый тип устройств, изобретенный чуть больше десяти лет назад, — трибоэлектрические наногенераторы (TENG).

TENG преобразуют механические низкочастотные колебания в электричество, что открывает большие перспективы для носимых гаджетов — от часов до датчиков здоровья. Проблема — нужны легкие, растягивающиеся, дышащие материалы. Сейчас в основном применяют полимеры.

К примеру, китайские ученые предложили использовать технику киригами — разрезать ткань в определенных местах для придания ей гибкости. А физики из США разработали "умный текстиль", волокна которого вплетаются в обычную материю.

Одежда из TENG, в частности, позволит подзаряжать гаджеты. Сейчас они питаются от химических источников тока — тяжелых и токсичных. Преобразование движений тела выглядит идеальным решением.

Еще древние греки знали: если потереть янтарь шерстью, к нему притягиваются легкие предметы. Это статическое электричество.

"Явление давно известно. Его описывают с помощью трибоэлектрического ряда — последовательности материалов, которые трутся друг о друга. Один заряжается положительно, другой отрицательно. Сейчас возможности диагностики значительно расширились, у нас есть инструмент исследования трибоэлектрического эффекта в нанометровых масштабах", — рассказывает старший научный сотрудник Физико-технического института (ФТИ) имени А. Ф. Иоффе РАН Прохор Алексеев.

Первопроходцем стал физик Чжунлинь Ван из Технологического института Джорджии, занимавшийся пьезоэлектрическим эффектом.

"Эксперимент был со стержнями из оксида цинка диаметром сто нанометров, длиной пару микрометров. В 2006-м в Science вышла статья об этом", — продолжает ученый.

При механическом воздействии на наноматериалы, помимо пьезоэлектрического, часто возникал гораздо менее изученный трибоэлектрический эффект. И Чжунлинь Ван переключился на него.

Большинство экспериментов проводят на наноуровне, например, с монослоями графена толщиной в атом. Отсюда название — трибоэлектрические наногенераторы. Два диэлектрика трутся друг о друга. Между ними возникает ток смещения малой плотности — милли-, микроамперы. Но генерируется большой потенциал в сотни вольт и даже киловольты.

"Основное преимущество — большое напряжение при маленьком токе. Мощность современных образцов достигают 100 ватт на квадратный метр", — уточняет Алексеев.

Одно из перспективных направлений применения TENG — медицина. Речь не только о датчиках, измеряющих параметры здоровья на теле, но и о биосовместимых устройствах.

"На одной из первых конференций по этой теме я видел эксперимент с мышью, которой вживили небольшой полимерный квадратик, способный генерировать электричество от дыхания, биения сердца. Более совершенные устройства с дополнительными слоями могут запасать энергию и в случае необходимости стимулировать сердечную мышцу. Потом они растворяются в организме", — поясняет исследователь.

Есть даже идея лечить ожирение с помощью наногенераторов. Предлагают вживить их в районе желудка и воздействовать на нервы, чтобы вызывать чувство сытости.

Трибоэлектрическим наногенераторам не нужно ископаемое топливо. Они работают на механическом движении ветра, дождя, человека. Это по-настоящему чистые источники энергии. В Китае уже создали прототипы устройств в виде морских буев, которые вырабатывают электричество, плавая по волнам.

"Остается вопрос их износостойкости, сколько циклов они выдерживают", — отмечает Алексеев.

Еще одна область применения — солнечная энергетика. Если поскрести полупроводник со слоем диэлектрика тонкой иглой, в нем образуется заряд. До недавнего времени никто и не думал генерировать электричество таким способом. В 2019 году к исследованиям подключились ученые из ФТИ, специализирующиеся на сканирующей зондовой микроскопии.

"Мы экспериментировали с полупроводником из кремния и фосфида индия. Если провести по нему микроскопическим зондом, течет ток", — говорит Алексеев.

В отличие от классических TENG, здесь высокая плотность тока, а напряжение, наоборот, небольшое. Однако результаты экспериментов были противоречивыми. Российские ученые при поддержке РНФ разобрались, в чем дело.

"Образец подсвечивают лазером. Оказалось, это искажает результаты. Мы научились отключать подсветку и более аккуратно измерять", — уточняет собеседник РИА Новости.

Используя этот подход, можно разрабатывать гибридные устройства.

"К фотоэлементу подводится контакт, который двигается от ветра — вырабатывается больше электричества. Солнце зашло, подул вечерний бриз, ток все равно идет", — объясняет Алексеев.

При этом царапается поверхность, поэтому нужно понять, насколько такое гибридное устройство долговечно и как его сделать эффективным, не снизив КПД. Исследователи планируют испытания на полупромышленных образцах солнечных элементов, выпускаемых в России.