Трибоэлектрический генератор — электричество из трения

Источник: phys.org

Исследователи Технологического института Джорджии (США) предложили еще один способ получения небольшой электроэнергии от движения в окружающем мире. Ученые создали трибоэлектрический наногенератор, преобразующий в электричество силу трения. Как отметил руководитель проекта профессор Чжун Линь Ван, новинка может работать в паре с пьезоэлектрическим генератором, в котором энергия получается от сгибания нанопроволоки из оксида цинка. То, что трение может провоцировать создание электрического заряда, известно давно. Ученые разработали систему, которая позволяет создавать разницу потенциалов между поверхностями. После периода трения контактирующие плоскости должны быть отделены друг от друга на небольшое расстояние.

В этом случае на одной поверхности формируется избыток электронов, а на другой — недостаток. Затем разность потенциалов компенсируется за счет внешней цепи, и поверхности снова соприкасаются друг с другом — начинается новый период трения. Еще одно условие работы системы — контактные поверхности должны быть изготовлены из разных материалов. В данном проекте применялись тонкие пластины полиэтилентерефталата (PET, стремится отдавать электроны), и полидиметилсилоксана (PDMS, принимает электроны). В начале исследователи использовали гладкие листы полимеров, а затем решили испробовать листы PDMS с тремя различными микроузорами: выступающими линиями, кубиками и пирамидами. Испытания показали, что наибольшее напряжение обеспечивает узор из пирамид — примерно 18 вольт (при силе тока около 0,13 мкА на квадратный сантиметр).

Структурирование повышает выходную мощность за счет увеличения количества формирующихся зарядов. Кроме того, воздушные пустоты между выступами облегчают разделение зарядов и повышают емкостные показатели системы. Процесс изготовления генератора начинается с создания кремниевой пластины — формы для отливки полимерных листов. Углубления могут быть получены при помощи традиционной фотолитографии и травления (сухого или влажного). Готовая форма затем обрабатывается химическим реагентом, чтобы предотвратить прилипание PDMS. Жидкий эластомер PDMS наносится на форму, подвергается термическому отверждению и снимается в виде тонкой пленки. Пленка с узорами фиксируется на поверхности электрода из оксида индия и олова (ITO), покрытого слоем PET. Эта структура накрывается другим ITO электродом, также покрытым PET, получается своеобразный «сэндвич».

Процесс изготовления отличается простотой и низкой стоимостью, и легко масштабируется для промышленного производства. Надежность таких генераторов достаточно высока — в ходе экспериментов было проведено более чем 100 000 циклов срабатывания в течение нескольких дней. И после этого устройства продолжали исправно производить электричество. Следующий этап работы, который планируют ученые — создание системы хранения получаемой энергии. Трибоэлектрические наногенераторы могут найти применение в оптико-электронных системах для создания высокочувствительных активных датчиков давления. Такие датчики не будут потреблять энергию от аккумулятора устройства и смогут фиксировать минимальное давление — около 13 мПа (давление капли воды). А так как входящие в состав генератора полимеры обладают высокой прозрачностью (примерно 75%), они потенциально могут быть использованы в сенсорных экранах.