This is Science: Поставити трибологов на службу людству

    
Мабуть, саме цей принцип група професора Ванга (Wang ), який вдало поєднує роботу в пекінському інституті наноенергетікі і наносистем і технологічному університеті Джорджії, обрала своєю максимою. За останні півроку в світ вийшло в цілому 7 робіт тільки в журналі американського хімічного товариства ACSNano (impact factor 12.062), про них-то ми сьогодні і поговоримо. Тим більше, що дані системи імєєют реальні шанси стати основною запіткі носяться датчиків і розумного одягу.
 
 

Замість передмови

На початку нинішнього року була опублікована робота і її короткий переказ на Хабре про отримання електроенергії за рахунок трібоелектрічества. Виглядало це тоді, як деяка екзотика, можливо, не має нормального застосування в народному господарстві, хоча автори статті вказували, що на базі розробки можна створити, наприклад, автономну погодну станцію. Яке ж було моє здивування, коли, як з рогу достатку, почали сипатися статті в високорейтингового журналі, в яких була запропонована маса способів застосування електроенергії статичної електрики.
 
Але почнемо з головного — з невеликого екскурсу в фізику і повторення матеріалу попередньої статті. Отже, багато хто з нас стикалися в повсякденному житті з таким явищем, як трібоелектрічество , тобто електрику (або більш точно, поділ зарядів), що виникає при терті двох матеріалів або речовин (наприклад, з різною щільністю). При цьому такий поділ зарядів можна описати двома основними характеристиками: власне, величиною заряду (або струму) і різницею потенціалів. Звичайно, ці характеристики залежать від багатьох параметрів: вологості, температури, природи використовуваних матеріалів і так далі.
 
Якщо у тебе, дорогий Почитатель Хабра, є будинки синтетичне покривало-плед, то в темряві, перебираючи цей плед, можна побачити іскри, проскакивающие між тілом або окремими ділянками оного, а також відчути запах «грози» або оксидів азоту. Аналогічні приклади — досліди від каналу «Проста Наука» Bredun :
  
Або ось ще:
  
Зазвичай, на уроках з фізики в школі цей ефект підноситься, як щось марне або навіть шкідливе (наприклад, для комп'ютерної техніки, в авіації), однак, це не зовсім так — давайте звернемося до прикладів.
 
 

Hört ihr mich?

«Ви мене чуєте?» — Як співалося в одній пісні німецького гурту Rammstein. Так, з упевненістю сказали автори роботи, які запропонували використовувати трібогенератор для самозапітивающегося мікрофона, акустичного визначення положення тіла і ще для акустичних ваг.
 
Схема розробленого пристрою представлена ​​нижче. Варто відзначити, що вона мало чим відрізняється від всім звичного нам мікрофона , з тією лише різницею, що замість електромагнітних ефектів, таких як зміна індукції або ємності конденсатора, вимірюваної характеристикою є, як і випадку з трібогенератором , струм.
 
 
 Схема пристрою самозапітивающегося мікрофону і детектора акустичних хвиль (PET — поліетилентерефталат, PTFE — тефлон)
 
Звичайно ж, були визначені і акустичні характеристики. Природно, що чим вище гучність (чим ближче джерело звуку до самого мікрофона), тим краще працює такий мікрофон, проте не варто забувати, що пристрій не вимагає зовнішнього джерела живлення, сигнал потенційно може бути посилений приймачем.
 
 
 Електричні та акустичні характеристики отриманого пристрою: (a) напруга розімкнутого ланцюга, (b) струм короткого замикання, © залежності цих характеристик від відстані до активного елемента і (d) діаграма спрямованості мікрофона
 
Коль скоро, мікрофон має таку діаграму спрямованості, то гріх на його основі не створити детектор положення джерела звуку, причому самозапітивающійся. Власне, що й було зроблено на основі кореляцій сигналу між кількома джерелами:
 
 
 Приклад використання пристрою для детектування джерела звуку
 
І це ще не все, також подібного роду мембрана може бути використана для зважування предметів допомогою звуку, як продемонстровано в даному відео . Вченим вдалося домогтися чутливості 270 мВ / мг, зважуючи маси від 40 мг до 400 мг. В принципі, такі ваги можуть знайти своє застосування в ювелірній промисловості через вкрай низької ціни і високої чутливості.
 
Відео про роботу мікрофона і детектора положення звуку можна подивитися на офіційному сайті або Yandex-Disk .
 
 Оригінальна стаття в ACSNano (DOI: 10.1021/nn4063616).
 
 

Туди-сюди-назад, тобі і мені — електрика.

 
 
 (a, b) Схема трибоелектричного генератора. (З-e) Полімерна плівка (каптон ) з мідними контактами в зібраному і розібраному стані
 
Виглядає даний пристрій злегка кхм-кхм… еротично, але що поробиш, наука вимагає жертв. Якщо в першій статті полімерна пластинка з невеликим мідним ділянкою коливалася між двома електродами, то тепер електричний заряд накопичується при переміщенні двох полімерних плівок один щодо одного, як показано на малюнку:
 
 
 Принцип роботи трибоелектричного генератора (a), а також дані моделювання для даної системи (bf).
 
Автори також опублікували пару відео (подивитися можна з офіційного сайту видавництва або з Yandex-Disk ), як можна приводити в дію цей трібогенератор від руху хвиль або людини.
 
І хоча максимальна вихідна потужність складає всього 10-12 мВт (1.36 Вт / м 2 ) при струмі близько 300 мкА і при швидкості руху 1 м / с для продемонстрованого пристрої, потенційно це може бути використано для навігаційних маяків, а також, чим чорт не жартує, в переносної «розумною» одязі для підживлення вбудованого кардіометри або трекера, наприклад. Детальніше про це поговоримо в самому кінці статті.
 
 Оригінальна стаття в ACSNano (DOI: 10.1021/nn500694y).
 
Логічним продовженням даної роботи є розробка двох моделей генератора електроенергії за допомогою хвиль і крапель дощу.
 
У першому випадку накочує хвиля приносить із собою деякий заряд, який «поглинається» полімерною плівкою фторованими поліетіленпропілена (FEP ), як представлено на малюнку:
 
 
 Схема роботи трибоелектричного генератора на основі приливних хвиль
 
Потужність такого генератора виявляється на рівні одиниць Вт / м 2 , але з урахуванням того, що така установка може бути розміщена вздовж невикористаного узбережжя, перспективи, в принципі, обнадійливі і привабливі. До того ж дощ або стікає вода також можуть бути використовувати для вироблення електроенергії — відео (офіційний сайт видавництва або з Yandex-Disk ).
 
 Оригінальна стаття в ACSNano (DOI: 10.1021/nn5012732).
 
У другому випадку, використовувалася складніша двоконтурна система, яка дозволяє конвертувати не тільки електростатичну електроенергію від перекочування крапель, а й отримувати енергію від ударної взаємодії крапель з поверхнею.
  
 
 Загальна схема двоконтурного трибоелектричного генератора: перший контур — наночастки діоксиду титану, що забезпечують несмачиваемость поверхні і скочування крапель дощу, другий контур — наночастки діоксиду кремнію, дотичні з тефлоновим плівкою при ударі падаючої краплі
 
Крапля, потрапляючи на похилу поверхню такого генератора, несе з собою деякий заряд (припустимо позитивний), а в процесі перекопування по поверхні електризує полімерну плівку (відповідно, негативно), а мідний електрод лише «збирає» цей надлишковий негативний заряд. Другий же контур працює на принципі описаному кілька разів вище: наночастинки діоксиду кремнію при ударі стикаються з тефлоновим плівкою, створюючи різницю потенціалів і електризуючись. Подробиці роботи двох контурів окремо в схематичному вигляді представлені нижче:
 
 
 
У кінцевому рахунку, перший контуру дає потужність близько 1.3 Вт / м 2 , тоді як контур, утилізує механічну енергію падіння крапель дозволяє додатково отримати до 0.3-0.4 Вт / м 2 . До того ж, на основі таких систем можуть бути створені самозапітивающіеся сенсори різних молекул. Зокрема, у статті наведено приклад з етанольний сенсором, що дозволяє визначати частки відсотка даного з'єднання. А в умовах великих мегаполісів це можуть бути датчики різних газів для визначення екологічного стану воздузха.
 
Відео, яке демонструє роботу пристрою, можна подивитися на офіційному сайті видавництва або c Yandex-Disk .
 
 Оригінальна стаття в ACSNano (DOI: 10.1021/nn501983s).
 
 

Назустріч носиться системам підзарядки

І остання пара статей на сьогоднішній день, про яких хотілося б розповісти, присвячена фактично прототипу зарядки, який через пару років може бути вбудований в наше повсякденне одяг для елементів розумного одягу.
 
 
 Схема концепту для вироблення трібоелектрічества за рахунок стиснення і розтягування
 
Суть даної розробки полягає в тому, що при стисненні або розтягуванні знову-таки виникає статична або трібоелектрічество, яке може бути запасено при ходьбі або бігу і направлено, наприклад, на зарядку вашого смартфона, що лежить в кишені. В принципі, такі системи також можуть бути використані для вироблення електроенергії від падіння крапель або приливних хвиль, як було продемонстровано вище. І хоча вироблювана потужність не так велика (~ 0.4 Вт / м 2 ), її цілком вистачило на те, щоб живити масив LED в проведених експериментах (див. відео ).
 
Також автори опублікували кілька відео, що демонструють роботу пристрою, які можна подивитися на офіційному сайті видавництва або з Yandex-Disk .
 
 Оригінальна стаття в ACSNano (DOI: 10.1021/nn502618f).
 
Однак максимальна потужність описаної вище платформи для вироблення трібоелектрічества досягається при частоті скорочень більше 100 Гц, що, погодьтеся, більш цікаво для спортсменів, проте в другій роботі вчені створили тканину на основі звичайних бавовняних ниток, яка дозволяє виробляти електрику за рахунок скорочень м'язів при ходьбі, наприклад, або простого поплескування.
 
 
 Нова тканина, що дозволяє виробляти електроенергію: спеціальні волокна вплітаються в звичайне бавовняну
 
У даному випадку бавовняні волокна спочатку покриваються вуглецевими нанотрубками, а потім частина з них додатково тефлоном. Далі пари таких волокон вплітаються в звичайну тканину і можуть працювати, як генератор трібоелектрічества за рахунок переміщення і тертя волокон один про одного.
 
 
 Електричний принцип роботи двох волокон для отримання трібоелектрічества
 
Знову варто обмовитися, що питома потужність таких пристроїв не так велика, як хотілося б, так само як і накопичується заряд — всього кілька нКл за півхвилини, однак, цього вистачає, щоб оживити монохромний дисплей простим рухом пальця (див. відео ).
 
Або ж, такого малого кількості електроенергії цілком може вистачити для якого-небудь сенсора, вбудованого в одяг, наприклад, термометра, для активації якого достатньо лише поплескати за місцем розташування трібогенератора.
 
 
 Ношений самозапітивающійся термометр — ще один крок до переносної електроніці
 
Відео з демонстраціями можна подивитися на офіційному сайті видавництва або на Yandex-Disk .
 
 Оригінальна стаття в ACSNano (DOI: 10.1021/nn501732z)
  

    
Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.