Трибоэлектрические наногенераторы – фантастика становится реальностью.

Всё большее число секторов промышленности используют «зелёную» энергетику для содействия устойчивому развитию и охране окружающей среды. Особенно много внимания этому уделяется в тех отраслях, где тратится огромное количество энергии, а в результате выделяется очень много тепла (металлургические производства, дата-центры и т.п.). Но даже на уровне домохозяйств и в аспектах повседневной жизни, многочисленные исследовательские инициативы направлены на получение экологически чистой энергии из таких источников, как солнечный свет, тепло земли (геотермальные технологии), энергия ветра и водных ресурсов (современные технологии могут преобразовывать механическую энергию в электрическую от течения реки до океанских волн, приливов и отливов). Благодаря быстрому развитию производства микроэлектроники, источники энергии на микроуровне тоже пользуются большим спросом и ценятся, особенно для современных миниатюрных технологических устройств и микросистем, включая имплантируемую электронику, портативные устройства, удалённые сенсорные сети и многое другое.

Интеллектуальные технологии значительно продвинулись вперёд в связи с необходимостью использования «умных» портативных электронных устройств в повседневной жизни. Спрос на эти устройства резко возрос в последние годы, что обусловлено их разнообразным применением в биомеханическом сборе энергии, отслеживании моментов жизненного движения, взаимодействии человека и машины. Этот всплеск в значительной степени способствовал разработке очень гибких электронных устройств с интегральными схемами и других смежных областей, повышающих качество нашей жизни. В настоящее время большинство портативных датчиков и гаджетов постоянно питаются от внешних источников, в основном от химических аккумуляторов, которые требуют регулярной замены или подзарядки. Такая зависимость приводит к значительному загрязнению окружающей среды и требует значительных ресурсов. Более того, существующие источники питания часто не отвечают требованиям безопасности, комфорта и простоты производства, предъявляемым к дорогим портативным электронным устройствам, которые используются в медицинских целях и призваны поддерживать сохранение жизни. Следовательно, разработка лёгкого, безопасного и экологически чистого источника энергии является серьёзной задачей для инженеров-разработчиков двадцать первого века.

Энергопотребление смарт-устройств сократилось с милливатт до микроватт благодаря быстрому совершенствованию схем и интеграции маломощных датчиков. Таким образом, существует настоятельная необходимость в создании жизнеспособной, эффективной технологии, способной преобразовывать механическую энергию, присутствующую в окружающей среде или в реальной жизни, в электрическую - для питания умной портативной/встроенной электроники. В наше время уже изобретены многочисленные устройства, которые эффективно извлекают энергию из человеческого тела: композитные и электромагнитные генераторы, а также трибоэлектрические наногенераторы (ТЭНГ). В основе работы последних лежат принципы электростатической индукции и трибоэлектризации (возникновение электрического заряда в результате трения некоторых материалов друг об друга). При соприкосновении двух различных материалов возникает эффект электростатической индукции - механическое взаимодействие материалов друг с другом создаёт разность потенциалов, которая питает нагрузку и внешнюю цепь. Разделение контактов (CS), горизонтальное скольжение (LS), одиночный электрод (SE) и отдельно стоящий слой (FT) - вот четыре основных режима работы, в которых функционирует наногенератор. Различные электроотрицательные материалы перемещаются относительно друг друга во время разъединения контактов, изменяя электрический потенциал и генерируя ток во внешних цепях.

В последние годы новаторское технологии в области сбора энергии, представили значительный прогресс в преобразовании механической энергии в электрическую. Среди них трибоэлектрические наногенераторы на основе полимеров находятся в центре обширных исследований из-за их уникальных свойств, адаптивности, автономности и широкого спектра потенциальных применений, особенно в биоэлектронике. Они недороги, легки и высокоэффективны в улавливании низкочастотной механической энергии, что делает их подходящими для микро- и наномасштабных источников энергии. Кроме того, они признаны эффективными для крупномасштабного сбора энергии океанских волн.

Для изготовления этих устройств используются различные полимеры, включая нейлон, поливинилиденфторид (ПВДФ), политетрафторэтилен (ПТФЭ), полидиметилсилоксан (ПДМС), полиметилметакрилат (ПММА) и фторированный этиленпропилен (ФЭП). Однако эти материалы часто дороги и не поддаются биологическому разложению, что угрожает экосистеме. Поэтому действительность требует разработки крупномасштабных, доступных, новых трибоактивных материалов, которые являются минимально токсичными, биосовместимыми, биоразлагаемыми и пригодными для вторичной переработки. Для этого доступны три типа биоразлагаемых фрикционных контактных материалов: полимеры растительного, животного происхождения и синтетические. Варианты на растительной основе включают целлюлозу, альгинат и рисовую бумагу, в то время как материалы животного происхождения, такие как хитозан и желатин, получают из побочных продуктов скотобоен. Аналогичным образом, синтетические биоразлагаемые полимеры, такие как PLA (полимолочная кислота), PLGA (поли-молочная-со-гликолевая кислота) и PCL (поликапролактон), уже используются в некоторых применениях TENG.

Среди этих материалов полимолочная кислота выделяется своей биоразлагаемостью, высокой механической прочностью, термостойкостью и технологичностью. Как биоактивный термопластик, полученный из устойчивых источников (сахарный тростник или кукурузный крахмал), PLA может использоваться в различных аспектах применения даже для достаточно агрессивных сред. А сочетание синтетических и растительных биополимеров может улучшить производительность. Уникальные свойства PLA отличают его от других биополимеров, поскольку его хорошая прочность на разрыв и модуль упругости сопоставимы с таковыми у полимерных, таких как полиэтилентерефталат, а также обеспечивают хорошую биосовместимость. PLA может служить как положительно, так и отрицательно заряженным трибокомпонентом, в зависимости от противоположного трибоматериала, используемого в наногенераторе. Однако ограниченные выходные характеристики часто ограничивают их интеграцию в биомедицинские или носимые устройства. Поэтому разработка сложных комбинированных систем преобразования энергии, с максимальной выходной мощностью, превосходной долговечностью и биосовместимостью остаётся одной из главных задач в данной области исследований.

Сочетание трибоматериалов с противоположными позициями в трибоэлектрическом ряду обычно приводит к значительным разностям потенциалов. Выбор правильной пары материалов для трения может дать большую плотность поверхностного заряда. Следуя этой концепции, исследователи успешно увеличили поверхностную плотность заряда биополимера хитозана (положительно заряженного) путём включения донорской добавки, такой как диатомит. Хорошие результаты показали включения наночастиц в полимерную матрицу, что эффективно улучшает диэлектрические свойства и плотность поверхностного заряда полимерных плёнок. Например, включение наночастиц минерала франклинит в биоразлагаемую полимерную матрицу с использованием метода литья растворителем, улучшает характеристики трибоэлектрических наногенераторов. В других разработках учёным удалось улучшить трибоэлектрические характеристики биоразлагаемых материалов посредством электропрядения с добавлением волокнистых материалов.

Недавно эталон производительности для устройств сбора механической энергии был повышен с появлением доступной и недорогой технологии 3D-печати в производстве различных устройств, обеспечивая оптимизированные процессы печати и возможность создания более широкого спектра структур. Нитевидные плёнки и структуры массивов с более тонкими и миниатюрными конфигурациями могут быть изготовлены с использованием технологии моделирования методом послойного наплавления (FDM). По сравнению с другими методами изготовление 3D-печатью проще и экономически эффективнее, так как это расширяет потенциал практического производства устройств TENG с использованием таких исходных материалов, как нейлон, акрилонитрилбутадиенстирол (ABS) и поли-молочной кислоты. Среди различных материалов PLA является наиболее часто используемым сырьём в технике FDM из-за его экологической безопасности и биоразлагаемости. Во многих случаях материалы, напечатанные на 3D-принтере, служат в качестве поддерживающих слоёв для изготовления генерирующих устройств.

Для функционирования в качестве структурных и функциональных элементов в естественных условиях был разработан трёхэлектродный сотовый трибоэлектрический наногенератор (TEHS-TENG). Такая конфигурация, вдохновлённая трёхфазной электрической конструкцией, обеспечивает стабильное и мощное преобразование энергии ветра. В то же время сотовая структура обеспечивает устойчивость к повреждениям и ударам. В последние годы 3D-печатные биополимерные материалы использовались в качестве слоёв за счёт увеличения площади поверхности с помощью инновационных процессов проектирования. Одновременно производятся нити посредством включения наноматериалов для улучшения диэлектрических свойств и поверхностной плотности заряда.

Электропрядильные мембраны из поли-молочной кислоты и желатиновых нановолокон служат трибослоями при изготовлении устройств получения энергии от трения, значительно повышая выходные характеристики биоразлагаемых трибоэлектрических наногенераторов.Благодаря свойствам PLA эти устройства не только демонстрируют высокую плотность мощности (5 Вт/см2 ) , но и полностью биоразлагаемые в природной воде в течение 40 дней, не нанося вреда окружающей среде.

Сочетание PLA и меди (Cu) предлагает новый подход для промышленных применений фильтрации воздуха. В этой трибоэлектрической системе медь служит положительным слоем, в то время как пластик действует как отрицательный. Сочетание этих материалов демонстрирует впечатляющую генерацию напряжения (10–20 кВ), превосходя обычные и делая его пригодным для высокоэффективной фильтрации воздуха в различных отраслях промышленности. Благодаря включению этой комбинации в конструкции генераторов, трибоэлектрические свойства улучшаются, что приводит к повышению эффективности фильтрации без увеличения потребления энергии или падения давления. Кроме того, антибактериальные свойства меди в сочетании с биоразлагаемостью PLA представляют уникальные преимущества для сохранения экологии.

Разработка биомедицинских трибоэлектрических наногенераторов с использованием биосовместимых материалов, таких как нержавеющая сталь и плёнки полимолочной кислоты (PLLA), значительно продвинулась в последние годы. Разработчики использовали методы модификации поверхности (горячее тиснение и лазерное травление), для повышения шероховатости поверхности, напрямую увеличивая выходную мощность. Некоторые образцы продемонстрировали превосходную производительность, генерируя до 60 микроампер, 150 вольт и приблизительно 125 нанокулон. Помимо показателей производительности, оценки биосовместимости показывают, что эти устройства демонстрируют нетоксичное поведение в клеточных тестах и ??сохраняют стабильный выход после погружения в имитированные биологические жидкости с постепенным увеличением кислотности (pH). Эти достижения позиционируют биосовместимые генераторы, как перспективных кандидатов для питания медицинских микроустройств в клинических условиях.

---

Главная - Микросхемы - DOC - ЖКИ - Источники питания - Электромеханика - Интерфейсы - Программы - Применения - Статьи