Исследователи из Института наноматериалов Клемсона (CNI) на один шаг приблизились к беспроводному питанию мира с помощью трибоэлектричества - зеленого источника энергии.
В марте 2017 года группа физиков из CNI изобрела сверхпростой трибоэлектрический наногенератор, или U-TENG - небольшое устройство, сделанное просто из пластика и ленты, которое генерирует электричество за счет движения и вибраций. Когда два материала соединяются вместе - например, при хлопании в ладоши или постукивании ногой - генерируется напряжение, которое регистрируется проводной внешней схемой. Затем электрическая энергия по цепи сохраняется в конденсаторе или батарее до тех пор, пока она не понадобится.
Девять месяцев спустя в статье, опубликованной в журнале Advanced Energy Materials, исследователи обнаружили беспроводную версию TENG, названную W-TENG, которая значительно расширяет возможности применения технологии.
W-TENG был спроектирован с учетом тех же предпосылок, что и U-TENG, с использованием материалов, которые настолько противоположны по сродству к электронам, что они генерируют напряжение при контакте друг с другом.
В W-TENG пластик был заменен составным волокном, состоящим из графена - одного слоя графита или грифеля карандаша - и биоразлагаемого полимера, известного как полимолочная кислота (PLA). PLA сам по себе отлично подходит для разделения положительных и отрицательных зарядов, но не так хорош для проведения электричества, поэтому исследователи объединили его с графеном. Каптоновая лента, материал для захвата электронов U-TENG, была заменена тефлоном, составом, известным для покрытия сковородок с антипригарным покрытием.
«Мы используем тефлон, потому что в нем много групп фтора, которые обладают высокой электроотрицательностью, в то время как графен-PLA обладает высокой электроположительностью. исследование и доцент кафедры физики в Клемсоне.
Чтобы получить графен, исследователи подвергли его исходное соединение, графит, воздействию высокочастотной звуковой волны. Затем звуковая волна действует как своего рода нож, разрезая «колоду карт», состоящую из графита, на слой за слоем графена. Этот процесс, называемый обработкой ультразвуком, позволяет CNI увеличить производство графена для удовлетворения потребностей в исследованиях и разработках W-TENG и других изобретений в области наноматериалов, находящихся в разработке.
После сборки волокна графен-PLA исследователи использовали аддитивное производство, также известное как 3D-печать, чтобы протянуть волокно в 3D-принтер, и родился W-TENG.
Конечным результатом является устройство, генерирующее максимальное напряжение 3000 вольт, что достаточно для питания 25 стандартных электрических розеток или, в более широком масштабе, тонированных окон или ЖК-монитора. Поскольку напряжение очень высокое, W-TENG создает вокруг себя электрическое поле, которое можно измерить по беспроводной сети. Его электрическая энергия также может храниться без проводов в конденсаторах и батареях.
Он не только дает вам энергию, но вы также можете использовать электрическое поле в качестве пульта дистанционного управления. Например, вы можете коснуться W-TENG и использовать его электрическое поле в качестве «кнопки», чтобы открыть свой гараж. дверь, или вы можете активировать систему безопасности - и все это без батареи, пассивно и без проводов», - сказал Сай Сунил Маллинени, первый автор исследования и доктор философии. студент по физике и астрономии.
Беспроводные приложения W-TENG многочисленны, включая условия с ограниченными ресурсами, например, в открытом космосе, посреди океана или даже на поле боя. Таким образом, Подила говорит, что изобретение команды может быть использовано в благотворительных целях.
«Некоторым развивающимся странам требуется много энергии, хотя в таких условиях у нас может не быть доступа к батареям или розеткам», - сказал Подила. «W-TENG может быть одним из более чистых способов производства энергии в этих областях».
Группа исследователей, снова возглавляемая Маллинени, находится в процессе патентования W-TENG через Исследовательский фонд Университета Клемсона. Профессор Аппарао Рао, директор Института наноматериалов Клемсона, также ведет переговоры с промышленными партнерами о начале интеграции W-TENG в энергетические приложения.
Однако, до промышленного производства, Подила говорит, что проводятся дополнительные исследования, чтобы заменить тефлон более экологически чистым, электроотрицательным материалом. Претендентом на модернизацию является MXene, двумерное неорганическое соединение, обладающее проводимостью переходного металла и влаголюбивостью спиртов, таких как пропанол. Юнчанг Донг, еще один аспирант CNI, руководил работой по демонстрации MXene-TENG, которая была опубликована в ноябрьском выпуске. Статья 2017 года в журнале Nano Energy. Герберт Белоу и Шрипарна Бхаттачарья из CNI также внесли свой вклад в эти исследования.
Окажет ли W-TENG влияние на сферу альтернативных, возобновляемых источников энергии? Рао говорит, что все сводится к экономике, «Мы можем зайти так далеко, как ученые; экономика должна работать, чтобы W-TENG был успешным», - сказал Рао.