Чжун Линь Ван. — Мы называем эти устройства наногенераторами и нанобатарейками. Поскольку наноустройства требуют очень мало энергии, то можно подумать и о таких наноисточниках, которые не потребуют периодической замены или подзарядки»…
Такие источники весьма пригодились бы, например, во вживляемых наносенсорах для непрерывного контроля уровня сахара в крови пациента-диабетика, в автономных датчиках, измеряющих механические напряжения в пролетах мостов и мачтах электропередачи или датчиках содержания токсичных веществ в воде и воздухе.
Подобные же источники энергии необходимы и для нанороботов, микроэлектромеханических систем (МЭМС) и во многих других случаях. И вот когда исследователи всерьез задумались над проблемой, выяснилось, что вокруг нас довольно много «бесплатных» источников энергии. Взять хотя бы нас с вами.
Человеческое тело постоянно нагрето до температуры 36,6 градуса Цельсия, что обычно на десятки градусов превышает температуру окружающей среды. Стало быть, наручные часы, те же вживляемые датчики, кардиостимуляторы, в принципе, могут работать на разности температур; нужно лишь использовать соответствующие термопары.
Датчики напряжений мачт электропередачи могут использовать в качестве источника питания случайные вибрации самой конструкции. Датчики движения на дорогах — колебания почвы от проезжающих автомобилей. Метеодатчики — разность температур грунта на поверхности и в глубине (температура грунта на глубине нескольких метров почти постоянна). Есть также предложения использовать в качестве источников энергии городской шум или звуки волн прибоя.
В конце 90-х годов прошлого века стали появляться и первые экзотические источники питания. Скажем, экспериментаторы Массачусетского технологического института разработали обувь на основе пьезоэлектрического эффекта. Человек шагает по улице и одновременно подзаряжает свой мобильник.
Еще один вариант — создание пьезоэлектрического вибрационного микрогенератора. В нем используется двухслойная консоль из цирконата-титаната свинца с грузиком на свободном конце, напоминающим ныряльщика на краю трамплина. При сотрясениях грузик раскачивается. При этом, когда консоль изгибается вниз, верхний пьезоэлектрический слой испытывает деформацию растяжения, а нижний — сжатия. В результате один слой получает положительный потенциал, а другой — отрицательный. При изгибе вверх процессы идут с противоположными знаками. А в итоге при колебании массы генерируется переменное напряжение.
Можно также использовать миниатюрные генераторы, главным элементом которых будет подвижный магнит или катушка. Подрагивая на пружине, такой индуктор опять-таки генерирует переменное электрическое напряжение.
Однако с уменьшением размеров подобных конструкций они работают все хуже. Грузик весом в микрограммы уже не столь подвержен воздействию сил гравитации, как, скажем, массивная гиря. Поэтому для создания наномасштабного генератора для питания автономных устройств необходим особый подход. Тогда профессор Чжун Линь Ван предложил использовать наноленты и нанопроволочки, которые получают путем спекания оксидов таких металлов, как цинк, при температурах от 900 до 1200 °C в особой инертной атмосфере.
При тщательном изучении оказалось, что нанопроволочки из оксида цинка представляют собой совершенные кристаллы в форме шестигранной призмы. И когда такие проволочки диаметром от 30 до 100 нм и длиной от 1 до 3 мкм изгибаются под действием внешних причин — случайных вибраций, сотрясений воздуха, — они, словно обычные пьезоэлементы, вырабатывают микроток.
Как мы уже говорили, не обходят вниманием исследователи и термоэлектрические генераторы, работа которых основана на использовании эффекта Зеебека; электродвижущая сила (ЭДС) возникает в контуре, состоящем из двух разнородных проводников, контакты между которыми имеют разные температуры. Эта ЭДС пропорциональна разности температур между местами контакта проводников. Основанные на этом принципе термопары широко применяют для измерения температур, а теперь могут использоваться и в качестве наноисточников энергии.
А.
В.
С.
Наконец, весьма интересным для исследователей оказался тот факт, что ряд не являющихся электроактивными в обычном состоянии материалов начинает проявлять неожиданные свойства при переходе к наноразмерам.
Так, скажем, оксид титана в обычном состоянии имеет весьма незначительное количество ионов лития при комнатной температуре. Однако при переходе в наносостояние ситуация изменяется кардинальным образом. При размере частиц около 15 нм наноструктурированный оксид титана можно использовать в качестве отрицательного электрода в литий-ионных аккумуляторах!
Очень перспективными источниками энергии для устройств с размерами порядка 10-9 — 10-8 м являются и водородные элементы. Так, например, в наноструктуре на основе углеродных нанотрубок с примесью титана оказалось очень удобно хранить водород, атомы которого могут составлять до 8 % от общей массы комплекса.
Конечно, наногенераторы вряд ли когда-нибудь станут постоянными источниками электроэнергии для наших жилищ; ведь даже для питания карманных фонариков их мощность слишком мала. Но системы нанопроволочек могут стать идеальными генераторами для устройств, от которых требуется лишь периодическая работа, например для медицинских сенсоров, которые должны собирать и передавать данные в течение одной секунды раз в минуту.
Возможно, в будущем наногенераторы будут преобразовывать энергию, которую теряем в нашей повседневной жизни, например, в результате изменений давления в автомобильной шине, шума и вибраций движущегося автомобиля и даже от давления ветра на стенки походной палатки.
Вообще количество малых источников энергии, которые нас окружают, неисчислимо. Вот, например, вы перелистнули страницу и… выработали при трении бумажных листов электричество, которого хватило бы на полчаса работы, например, датчика уровня сахара в крови.
НАНОБАТАРЕЙКИ
