Команда ученых из института Джорджии в рамках программы Национального научного общества США и NASA сконструировала наногенератор нового типа, вырабатывающий электроэнергию, используя механическую энергию течения жидкости или же энергию движения мышц.
Проблема автономных микроскопических источников энергии для имплантируемых биологических устройств на сегодняшний день не решена. Однако есть различные частные решения этой проблемы, в основном химические реакторы, позволяющие использовать глюкозу, находящуюся в крови пациента, для производства электроэнергии.
Однако последние достижения в области наносистем и гетероструктур позволили создать наногенератор, который, возможно, вытеснит практически все типы источников энергии, используемых в имплантируемых устройствах, наносенсорах и портативной электронике.
Представьте себе mp3-плеер, мобильный телефон или просто часы, которые используют энергию вашего тела. Проблема батареек в подобных небольших устройствах может отпасть с развитием технологии наногенераторов. По принципу действия новый источник энергии близок к пьезоэлектрикам. Это матрица стержней, которые при изгибании производят электроэнергию.
Рис. 1. Профессор Ван держит в руке наногенератор
Занимается разработкой наногенераторов ученый Жонг Лин Ван (Zhong Lin Wang) из Института Джорджии. В выпуске журнала Sciense от 14 апреля им и его коллегами был подробно описан принцип действия наногенератора и его исследование.
Создать наногенератор было не так просто. Сперва при помощи процесса осаждения пара сложного состава на подложке из сапфира, предварительно покрытого наночастицами золота в качестве катализатора, профессор Ван и его коллеги сумели вырастить на подложке матрицу из вертикально стоящих нанопроводков из оксида цинка (этот материал одновременно и пьезоэлектрик, и полупроводник).
Размер стержней варьировался от 200 до 500 нанометров в длину и от 20 до 40 нанометров в диаметре. Шаг нанопроводов составлял приблизительно 100 нанометров. Плёнка оксида цинка также возникала на поверхности подложки, создавая электрическое соединение для всех нанопроводников.
Затем ученые попытались воздействовать механически на "лес нанопроводов". Ими было замечено, что устройство вырабатывает напряжение при деформации образца.
По замыслу авторов проекта, наногенераторы - такие, как этот прототип - будут производить ток по мере того, как внешние возмущения будут сгибать и затем отпускать нанопровода (примерно как сгибаются и разгибаются упругие шерстинки, когда вы проводите рукой по ковру). Используя наконечник атомного силового микроскопа для сгибания этих столбиков, Ван показал, что они действительно производят напряжение как пьезоэлектрики.
Рис. 2. АСМ изображение наногенератора (видны отдельные нанопроводники)
Решётку из таких проводков, или "коврик", можно изготовить куда меньшего размера, чем прототип - в масштабе нескольких микронов. Тогда эти генераторы можно встроить в разнообразные сверхминиатюрные устройства. Это и датчики в теле пациента, и импланты, и хранители сердечного ритма, и, возможно, другая электроника, которая появится благодаря возможности использовать даровую энергию человеческого тела.
"Наши тела способны преобразовывать химическую энергию глюкозы в механическую энергию мускулов. Если ранее появлялись имплантируемые глюкозовые реакторы, то теперь можно использовать саму энергию мышц, - пояснил Ван, - эти наногенераторы могут взять эту механическую энергию и преобразовать её в электрическую для того, чтобы приводить в действие устройства в теле. Это может открыть огромные возможности для вживляемых медицинских устройств".
Также наногенераторы будут особенно полезны при разработке нанороботов, нанофабрик и просто сложных наноструктур. "Мы можем теперь создавать сложные наносистемы, не заботясь о том, как их обеспечить энергией. Я считаю, что это большой шаг вперед", - комментирует профессор.
Процесс разряжения/заряда наногенератора происходил в то время, как зонд атомно-силового микроскопа (АСМ) проходил вдоль поверхности "леса" полупроводников. Прибор держал заряд благодаря барьеру Шоттки, сформированному между наногенератором и АСМ-зондом.
По изучению изменения цикла "заряд/разряд" ученые смогли узнать электромеханические характеристики наногенератора. В том числе, как изменяется генерируемый ток при изменении механической нагрузки на прибор.
Как выяснилось, наногенератор реагирует даже на акустические колебания и на ультразвуковые. Также он способен выдерживать изгибания до 50 градусов без поломки.
Следующим шагом ученых будет исследование режимов работы наногенератора при его сильной вибрации. Ван надеется получить исчерпывающие результаты о работе устройства, прежде чем создавать первую рабочую нанобатарейку на его основе.
