В Южном федеральном университете разработали технологию, позволяющую собирать механическую энергию с использованием нанотрубок

В последние годы наблюдается значительный рост интереса к устройствам носимой электроники, что связано с их широким применением в различных сферах жизни. Однако с увеличением популярности таких технологий возникает и проблема: ограниченность природных источников энергии. Это становится серьезным вызовом для ученых и инженеров, стремящихся создать эффективные и устойчивые решения для обеспечения электроэнергией современных гаджетов. В ответ на эти вызовы, исследователи Южного федерального университета (ЮФУ) начали разработку новых технологий, которые в конечном итоге привели к созданию пьезоэлектрических наногенераторов (ПЭНГ).

Одним из наиболее перспективных материалов для разработки ПЭНГ стали легированные азотом углеродные нанотрубки (N-УНТ). Эти нанотрубки обладают уникальными пьезоэлектрическими свойствами, которые возникают в результате формирования бамбукообразных перемычек внутри их полостей. Это открытие стало важным шагом вперед в области нанотехнологий и энергетических решений. Ученым ЮФУ удалось создать прототип ПЭНГ, который продемонстрировал возможность преобразования внешних вибраций в электрическую энергию. Таким образом, они открыли новые горизонты для использования таких устройств в повседневной жизни.

Интересно, что пьезоэлектрические свойства углеродных нанотрубок были обнаружены случайно. Во время изучения электрических характеристик отдельных нанотрубок исследователи заметили наличие гистерезиса в вольтамперной характеристике. Это явление связано с образованием внутреннего электрического поля в процессе измерений. Несмотря на скептицизм со стороны научного сообщества, которое утверждало, что подобное поведение невозможно, факты показали обратное. Первые исследования в этой области были проведены в 2011 году, а первая статья, посвященная гистерезису и аномальному поведению электрических параметров, была опубликована в 2012 году. Лишь спустя шесть лет ученым удалось убедить научное сообщество в правоте своих предположений.

На данный момент исследования в области создания пьезоэлектрических наногенераторов продемонстрировали их потенциал в преобразовании энергии движения человека, например, в результате сокращения мышц или моргания. Это открывает новые возможности для питания носимой электроники и устройств, предназначенных для мониторинга состояния здоровья человека. В ЮФУ активно разрабатываются макеты ПЭНГ на твердых кремниевых подложках, при этом ученые ориентируются на преобразование энергии, содержащейся в окружающей среде, такой как городской шум, вибрации и движения тела человека.

Созданный макет представляет собой кремниевую подложку размером 5×5 мм, на которой нанесен нижний электрод. На этой подложке выращен массив вертикально ориентированных углеродных нанотрубок. Над вершинами этих нанотрубок с помощью диэлектрических упоров закрепляется верхний профилированный электрод. Когда на макет воздействуют внешние вибрации, происходит деформация N-УНТ, что приводит к образованию поверхностного потенциала. Этот процесс является ключевым для преобразования механической энергии в электрическую.

Таким образом, разработка ПЭНГ на основе легированных азотом углеродных нанотрубок открывает новые горизонты в области носимой электроники и медицинских технологий. Ученые ЮФУ продолжают свои исследования, стремясь улучшить эффективность и надежность таких устройств. Это может привести к созданию новых поколений носимых гаджетов, которые смогут работать автономно, используя энергию, генерируемую самим пользователем. В результате, такие технологии могут значительно изменить подход к разработке и использованию электроники, а также повысить уровень комфорта и удобства в повседневной жизни.