Це наука: Поставлення трибоелектрики на службі людства

Саме таким принципом є група професора Вана, яка успішно поєднує роботу в Пекінському інституті наноенергетиці та наносистемах та Університеті Грузії. За останні шість місяців в журналі Американського хімічного товариства ACSNano публікувалися всього 7 статей. Крім того, ці системи мають реальні шанси стати основним паливом для зносних датчиків і смарт-купе.

На початку цього року було опубліковано роботу та його короткий розвідник на Habre про отримання електроенергії через трибоелектричність. Як і деякі екзотичні, можливо, не мають нормального застосування в національній економіці, хоча автори статті вказали, що на основі розвитку можна створити, наприклад, автономну метеорологічну станцію. Який сюрприз був коли, з рогівки, вироби почали розсипатися в високо оціненому журналі, в якому запропоновано багато способів застосування статичної електрики.

Але починайте з основною справою – з невеликою екскурсією на фізику і повторенням матеріалу попередньої статті. Так, багато з нас зустрілися в повсякденному житті, такі явища, як трибоелектрика, тобто електрика (або точніше, поділ зарядів), що відбувається, коли два матеріали або речовини потираються разом (наприклад, з різними зубами). У той же час, цей поділ зарядів можна описати двома основними характеристиками: по суті, величина заряду (або струм) і різниця потенціалів. Звичайно, ці характеристики залежать від багатьох параметрів: вологості, температури, характеру використовуваних матеріалів і так далі.

Якщо ви, шановний Habra Adorer, мати синтетичну ковдру в домашніх умовах, то в темряві, що проходить через цю ковдру, ви можете побачити іскри, які пропускаються між тілом або окремими частинами, а також пахнуть «підшлункової» (озону) і оксидами азоту. Схожі приклади з каналу «Прості науки»:


Або тут ще:


Зазвичай, в класах фізики в школі, цей ефект представлений як щось непотрібне, так і навіть шкідливе (наприклад, для комп'ютерної техніки, в авіації), але це не зовсім так – нехай не вийде на приклади.

Хірт ір миха? " «Чи почуєте мене?» - пісня німецького гурту Rammstein. Так, з впевненістю сказали автори роботи, які запропонували використовувати трибогенератор для самозахисту мікрофона, акустичного визначення положення тіла і навіть для акустичних ваг.

Схема розробленого пристрою представлена нижче. Варто відзначити, що він не відрізняється від всіх знайомих до нас мікрофона, з єдиною різницею, яка замість електромагнітних ефектів, таких як зміна індукції або ємнісності конденсатора, характерна, як випадок з трибогенератором, струмом.

Р

Діаграма пристрою самозахисту мікрофона та акустичного детектора хвилі (PET - поліетилен terephthalate, PTFE - Teflon)

Також визначено акустичні характеристики. Природно, чим вище гучність (найбільше джерело звуку до самого мікрофона), тим краще працює мікрофон, але не забудьте, що пристрій не вимагає зовнішнього джерела живлення, сигнал може потенційно бути посилений ресивером.

р.

Електричні і акустичні характеристики отриманого пристрою: (a) відкрита напруга, (b) струм короткого контуру, (c) залежність цих характеристик на відстані до активного елемента і (d) схема напрямку мікрофона

Так як мікрофон має таку спрямовану схему, це гріх на його основі не для створення позиційного детектора джерела звуку і самозахисту. Насправді це було зроблено на основі сигналів між декількома джерелами:



Приклад використання пристрою для виявлення джерела звуку

І це не все, і цей вид мембрани також може використовуватися для зважування об'єктів через звук, як показано в цьому відео. Вчені вдалося досягти чутливості 270 мВ/мг, вагою від 40 мг до 400 мг. В принципі такі ваги можуть знайти їх застосування в ювелірній промисловості через надзвичайно низьку ціну і високу чутливість.

На офіційному сайті або Yandex-Disk можна переглянути відео про мікрофон та детектор звукової позиції.

Оригінальна стаття в ACSNano (DOI: 10.1021/nn4063616).

Назад і вперед, електрика для вас і мене.
р.

(a, b) Трибоелектричний генератор. (c-e) Полімерна плівка (capton) з мідними контактами, зібраними та розібраними

Цей пристрій виглядає трохи hmm-hmm ... еротичний, але що ви можете зробити, наука вимагає жертв. Якщо в першій статті полімерна пластина з невеликим мідним регіоном сформувалася між двома електродами, то тепер електричний заряд накопичується при переході двох полімерних плівок один до одного, як показано на малюнку:

8385454

Принцип роботи трибоелектричного генератора (а) і моделювання даних для цієї системи (b-f).

Автори також опублікували пару відео (ви можете подивитися на офіційному сайті видавця або з Yandex-Disk), як ви можете приїхати до цього трибогенератора з руху хвиль або особи.

І хоча максимальна потужність виходу становить всього 10-12 мВт (1.36 Вт / м2) при струмі близько 300 мА і при швидкості 1 м / с для пристрою продемонстровано, це може потенційно використовуватися для навігаційних маяків, а також в зносних «розумних» одязі для живлення вбудованого кардіометра або трекера, наприклад. Ми будемо говорити про це в кінці статті.

Оригінальна стаття в ACSNano (DOI: 10.1021/nn500694y).

Запровадження двох моделей генератора електроенергії за допомогою хвиль і дощових дощів.

У першому випадку прокочлива хвиля приносить її деяким зарядом, що являє собою полімерну плівку фторованої поліетиленової пропілену (FEP), як показано на малюнку:



Схема роботи трибоелектричного генератора на основі тидальних хвиль

Потужність такого генератора на рівні вузлів W/m2, але враховуючи те, що такий блок можна розмістити уздовж невикористаного узбережжя, перспективи є в принципі заохочення і частування. Крім того, дощ або проточна вода також може використовуватися для створення електроенергії – відео (на офіційному сайті видавця або з Yandex-Disk).

Оригінальна стаття в ACSNano (DOI: 10.1021/nn5012732).

У другому випадку використовується більш складна двоконтурна система, яка дозволяє перетворювати не тільки електростатичну електрику з прокатних крапель, але і отримувати енергію від ударної взаємодії крапель з поверхнею.



Загальна схема двоконтурного трибоелектричного генератора: перша схема - наночастинки титанового діоксиду, що забезпечує зчеплення поверхні і розкочування дощових дощів, друга схема - наночастинки кремнію, в контакті з тефлоновою плівкою при попаданні крапельної краплі

Попадання, що падає на нахилену поверхню такого генератора, несе з собою деяку заряду (надаємо нам припустимо позитивний), а в процесі прокопування по поверхні видає полімерну плівку (резистентно, негативно), а мідний електрод тільки «колекти» це надлишок негативного заряду. Другий контур працює за принципом описано кілька разів вище: наночастинки кремнію, при ударі, надходять в контакт з тефлоновою плівкою, створюючи потенційну різницю і електрифікацію. Деталі двох схем окремо в схематичному вигляді представлені нижче:



В кінцевому підсумку, перша схема дає потужність близько 1,3 Вт / м2, при цьому схема, яка використовує механічну енергію крапельних крапель, дозволяє додатково отримувати до 0,3-0.4 Вт / м2. Крім того, на основі таких систем можуть бути створені самопідсилювачі різних молекул. Зокрема, стаття дає приклад з датчиком етанолу, що дозволяє визначити дроби відсотка цього сполуки. І в великих мегамістах, це можуть бути датчики різних газів для визначення стану навколишнього середовища повітря.

Відео, що демонструє операцію пристрою, можна переглянути на офіційному сайті видавництва або з Yandex-Disk.

Оригінальна стаття в ACSNano (DOI: 10.1021/nn501983s).

І остання пара статей на сьогоднішній день, яку я хотів би розповісти про те, присвячена фактичному прототипу зарядки, яка протягом декількох років може бути побудована в наш повсякденний одяг для розумного одягу.



Схема концепції виробництва трибоелектричності за рахунок стиснення та розтягування

Суть цього розвитку полягає в тому, що при стисненні або розтягуванні знову існує статична або трибоелектрика, яка може зберігатися при ході або бігу і спрямована на те, що для зарядки смартфона, що лежить в кишені. В принципі такі системи також можуть використовуватися для створення електроенергії з крапель або тидалових хвиль, як показано вище. І хоча потужність вироблена не так велика (~0.4 Вт / м2), було достатньо для живлення світлодіодного масиву в експериментах, проведених (див. відео).

Автори також публікуються кілька відео, що демонструють роботу пристрою, які можна переглянути на офіційному сайті видавця або з Yandex-Disk.

Оригінальна стаття в ACSNano (DOI: 10.1021/nn502618f).

Однак максимальна потужність платформи, описаної вище для виробництва трибоелектричності досягається при частоті скорочень більше 100 Гц, які ви згодні, є більш цікавими для спортсменів, але в другій роботі вчені створили тканину на основі звичайних бавовняних ниток, що дозволяє генерувати електрику через скорочення м'язів при проході, наприклад, або простий пат.

Нова тканина для створення електрики: спеціальні волокна, що плетені в звичайні бавовни

У цьому випадку бавовняні волокна спочатку покривають вуглецевими нанотрубками, а потім деякі з них додатково з тефлоном. Далі пари таких волокон плетені в звичайні тканини і можуть працювати як трибоелектричний генератор через рух і тертя волокон проти одного.

Принцип роботи двох волокон для отримання трибоелектрики

Знову варто згадати, що конкретна потужність таких пристроїв не так висока, як ми б хотіли, а також скупчена зарядка - тільки кілька nCl за півгодини, однак, це досить відродити монохромний дисплей з простим рухом пальця (див. відео).

Або, така невелика кількість електроенергії може бути досить достатньо для деяких датчиків, вбудованих в одяг, наприклад, термометра, щоб активувати який потрібно лише на місці трибогендера.

Зносний термометр самозахисту є ще одним кроком для носіння електроніки

Відео з демонстраціями можна переглянути на офіційному сайті видавця або на Yandex-Disk.

Оригінальна стаття в ACSNano (DOI: 10.1021/nn501732z) Чи знайдеться дані про розвиток? Так, в перетворенні живлення Так, в не-волотильних, компактних системах Так, в носінні електроніки для зарядних пристроїв Так, в носінні електроніки для датчиків живлення Не знайдено. Повністю непроможна ідея, яку важко відповісти. Тільки зареєстровані користувачі можуть брати участь у опитуванні. Приходьте, будь ласка, 151 осіб проголосували. 57 человек.

Джерело: habrahabr.ru/post/231211/