В чем суть дела?
Работы в области пьезоэлектрических наногенераторов показали возможности преобразования энергии моргания и сокращения мышц в энергию для питания носимой электроники. Таким образом можно обеспечить питанием и устройства отслеживания состояния человека в медицинских целях.
В ЮФУ же стремятся к преобразованию в таких целях энергии окружающей среды (городского шума, вибраций и движений тела человека). Для этого в пьезоэлектрических наногенераторах были использованы легированные азотом углеродные нанотрубки (N-УНТ) – они проявляют аномальные пьезоэлектрические свойства в результате формирования бамбукообразных перемычек в полости трубки.
Работающий прототип (макет) такого наногенератора был подготовлен и испытан.
Как выглядит макет?
Макет представляет собой твердую подложку кремния 5*5 мм с нанесенным нижним электродом. На подложке выращен массив вертикально ориентированных углеродных нанотрубок.
Над вершинами нанотрубок закреплен верхний профилированный электрод (с помощью диэлектрических упоров). Из-за внешних вибраций происходит деформация нанотрубок, формируется поверхностный потенциал – и измерительный стенд фиксирует выходной сигнал с электродов.
Нанотрубки растут перпендикулярно, их вершины не закреплены. Поэтому важно создать эффективный верхний электрод, который будет контактировать с вершинами нанотрубок, не мешая их подвижности – иначе они потеряют чувствительность к внешним вибрациям и деформациям.
Каковы перспективы у разработки?
Одна нанотрубка диаметром до 100 нм и высотой примерно 2-5 микрометров накапливает ограниченное количество зарядов. Если поместить массив трубок в вибрационный шум, скажем, на два дня, то этот массив сможет генерировать ток величиной десятки наноампер, говорит Ольга Соболева из ЮФУ.
Если последовательно соединить несколько таких генераторов, можно повысить мощность источника питания до величины, достаточной для зарядки электронных часов.
Предполагается, что разработку можно будет применять в самых разных сферах – 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", – заключает профессор дивизиона "Электроника" Передовой инженерной школы ЮФУ Марина Ильина.
