Ученые Южного федерального университета (ЮФУ) подготовили и испытали первый макет наногенератора, который преобразует энергию вибраций, шума и движений тела в электричество.
Работающий прототип размером 5 на 5 миллиметров – это шаг к созданию автономных источников питания, сообщается на веб-сайте университета.
– Наш макет представляет собой твердую подложку кремния размером 5х5 мм с нанесенным нижним электродом, на которой выращен массив вертикально ориентированных углеродных нанотрубок. Над вершинами нанотрубок с использованием диэлектрических упоров закрепляется верхний профилированный электрод, – рассказала доктор физико-математических наук, профессор дивизиона «Электроника» Передовой инженерной школы ЮФУ Марина Ильина.
Разработка относится к пьезоэлектрическим наногенераторам: внешние вибрации вызывают деформацию легированных азотом углеродных нанотрубок, что позволяет детектировать выходной сигнал с электродов на измерительном стенде. В университете уточнили, что такие решения рассматриваются как вариант для питания носимой электроники и автономных устройств, в том числе при использовании энергии окружающей среды – городского шума, вибраций и движений тела человека.
– Стоит понимать, что одна нанотрубка диаметром до 100 нанометров и высотой примерно 2–5 микрометров накапливает ограниченное количество зарядов. Если мы помещаем массив трубок в вибрационный шум, допустим, на двое суток, то потом эти же двое суток массив без дополнительного внешнего воздействия генерирует ток величиной десятки наноампер при нагрузке мегаомы. В дальнейшем, путем последовательного соединения нескольких таких наногенераторов, можно повысить мощность источника питания до величины, достаточной для зарядки электронных часов, – добавила аспирантка Передовой инженерной школы ЮФУ Ольга Соболева.
Как пояснили разработчики, одной из ключевых задач остается создание эффективного верхнего электрода: углеродные нанотрубки растут перпендикулярно подложке и образуют «лес», поэтому их вершины не закреплены. Контакт верхнего электрода должен обеспечивать взаимодействие с вершинами и одновременно сохранять их подвижность, чтобы не снижалась чувствительность к внешним вибрациям и деформациям; после тестовых измерений изготовленная структура корпусируется.
– Перспективы разработки очень широкие: от биомедицинских применений до автономных систем, в частности питания нейроморфных плат. Наша технология позволяет повысить энергоэффективность и значительно уменьшить габариты и вес источников питания. Те мощности, которые будут потреблять платы нейроморфной электроники, сопоставимы с теми мощностями наногенераторов, которые сейчас наблюдаются. В перспективе возможно создание такой системы, которая будет автономно питаться без дополнительного источника питания в виде литий-ионной батареи или каких-то конденсаторов, загрязняющих окружающую среду, – заключила Ильина.
Пьезоэлектрические свойства нанотрубок были выявлены случайно при исследовании электрических параметров отдельных углеродных нанотрубок: тогда обнаружили гистерезис вольтамперной характеристики, связанный с формированием внутреннего электрического поля в процессе измерения. Первые исследования провели в 2011 году, первая статья по гистерезису и аномальному поведению электрических параметров вышла в 2012 году, а спустя шесть лет предположения были доказаны научному сообществу.
Подготовил Роман БОНДАРЧУК, УзА