Този сайт използва бисквитки (cookies). Ако желаете можете да научите повече тукПриемам
17 декември 2017
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Наноструктури произвеждат електрическа енергия, породена от движения на човешкото тяло

Пиезоелектричен генераторен прототип. (IEEE XV-th International Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems, 1 - 3 June 2017, pp. 320-324.)

Учени и преподаватели от катедра „Микроелектроника“ на Технически университет – София създадоха покритие с наноразмерна дебелина, съставено от дървовидно разклонени нанонишки, които произвеждат електрическа енергия, чрез механично активиране. Покритието използва пиезоелектричния ефект, а материалът се нарича пиезоелектричен. Потенциалното му приложение е в елементи, служещи като алтернативни източници на енергия, които се активират от механично натоварване. За възникване на максимално механично усилие в наноструктурата, което да предизвика по-силен ефект на генерация на електрически заряд, покритието е израснато върху гъвкаво фолио от еластичен полимер. Това позволява прикрепване на гъвкавите енергопроизвеждащи елементи към релефни повърхности с разнообразни форми. Пример за подобна повърхнина е човешкото тяло и неговите извивки. Устройството трябва да е достатъчно чувствително, за да реагира дори на слабо механично натоварване, при движение на обекта, за постигане на максимална ефективност. Също така, елементите трябва да са достатъчно леки и компактни (например квадрат с размери 15 х 15 мм), за да не се усеща дискомфорт от тяхното наличие. Крайната цел е да се произведе енергия, достатъчна за захранване на маломощни консуматори - най-често портативните устройсвта, които използваме в нашето ежедневие. Подобни решения за пиезоелектрични микрогенератори, реализарани на прототипно ниво, текущо има имплементирани в подметките на спортни обувки.

До момента учените са установили, че наностуктурирането на покритието, позволява увеличаване на активната повърхност на материала (общата разгърната площ е в пъти по-голяма от тази на напълно гладък слой от него). Така, всеки нанообект допринася със собствен произведен заряд, който се сумира с останалите. Това е предпоставка за генериране на повече енергия, въпреки малките му размери, в сравнение с покрития, които не са наноструктурирани.

Микроскопска снимка с 60 000 пъти увеличение, показваща разклонените нанонишки на пиезоелектричния материал (вляво) и форма на генерирания от наноструктурата електричен сигнал (вдясно). Дължината на нанонишките варира между 80 и 250 нанометра, а генерираното напрежение е около 1 V при натоварване 350 гр и радиус на огъване 12 мм. (Appl. Sci. 2017, 7(9), 890)

Изследванията на екипа показват, че използването на полимери, вместо класическите метални контактни електроди за събиране и отвеждане на електрическия заряд, води до подобряване на еластичността на целия елемент. Повишава се и надеждността му при многобройни цикли на огъване, усускване и опъване, или при по-голямо натоварване, отколкото може да се реализира чрез човешко движение. Това прави потенциалната приложимост на новооткритите наноструктури много широка (като например вградени в гуми на превозни средства, активирани от въртенето им при движение и захранващи електрониката). Чрез прецизна настройка на технологичния процес по израстване на нанодървовидната структура е постигнат контрол над геометричните й параметри на наноразмерно ниво. По този начин се управлява нейната реакция по отношение на силата и честотата на събитието, което предизвиква генерация на заряд.

Снимки на изготвения пиезоелектричен генераторен прототип – вляво: разгънато положение (1 – пиезоелектрично наноструктурирано покритие; 2 – контактен електрод; 3 – проводящо фолио); вдясно: огънато положение на същия образец. (IEEE XV-th International Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems, 1 - 3 June 2017, pp. 320-324.)

След интензивни експерименти учените докладват за успешна работа на наноструктурите в нискочестотния диапазон на механично натоварване (събития, които се случват рядко), в който попадат и човешките движения. Това, до момента бе научно и технологично предизвикателство, поради физико-механични особености на материалите на атомно ниво. Това ограничаваше работата на такива елементи до една честота или множество такива, но от високочестотния диапазон (събития, които се повтарят през хилядни части от секундата).

Експериментите се провеждат по линия на научно-изследователски проект, финансиран от Българския Фонд за Научни Изследвания (ДН 07/13 „Изследване на пиезоелектричната реакция на слойни микрогенератори върху гъвкави подложки“) по конкурс за фундаментални научни изследвания, с бенефициент Технически Университет – София. Целта на проекта е да се получат нови знания за гъвкавите пиезоелектрични наноструктури, за технологията на структуриране на пиезоелектрични материали, за електромеханичното им поведение и процесите на генериране и пренасяне на заряд, както и постигането на контрол над тези процеси с цел оптимизиране на работата им като микрогенератори. Проектът е с продължителност 3 години, считано от декември 2016 г. и в него участват утвърдени специалисти от 5 организации от България (Институт по физика на твърдото тяло и Централна лаборатория по слънчева енергия и нови енергийни източници към Българската Академия на Науките), Германия (Университет по приложни науки в Билефелд) и Индия (Университета в Пуне и Институт по отбрана и съвременни технологии в Пуне). В колектива са привлечени редица млади учени – пост-докторанти, докторанти и студенти. Постигнатите до момента резултати са в процес на внедряване, като тестови постановки в учебния процес на катедра „Микроелектроника“ за обучение на студентите по специалности „Микроелектроника“ (ОКС „бакалавър“ и „магистър“) и „Микротехнологии и наноинежеринг“ за магистри. Това засилва още повече техния интерес към нанотехнологиите и изследователската работа.

При положителна оценка на резултатите от първия етап на проекта, бъдещата работа на екипа през втория му етап (2018-2019 г.) ще бъде реализация на енергопроизвеждащ гъвкав елемент, изцяло изработен от органични материали, които са биосъвместими. Цели се потенциално прилагане за имплантиране в човешкото тяло и активирането му от биопроцесите в организма (дишане, пулс). Разработката ще бъде полезна за реализацията на енергонезависмо захранване на сензори, следящи показателите на човешкия организъм. По този повод, членовете на екипа са осъществили контакт с китайски лекари-изследователи, които изследват възможността за реална приложимост на подобен род структури.

Резултатите, постигнати до момента са публикувани във водещи, международно признати научни списания (Applied Sciences, Journal of Physics CS) и са докладвани на престижни научни конференции (IEEE 15th International Conference on Electrical. Machines, Drives and Power Systems 2017 and 20th International Summer School on Vacuum, Electron and Ion Technologies 2017).

За повече подробности може да се свържете с координатора на проекта, доц. д-р Мария Александрова от катедра „Микроелектроника“ на Технически университет - София, на имейл адрес m_aleksandrova@tu-sofia.bg.


Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Българският принос в световната наука

Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.