Трибоэлектрический генератор производит электричество за счет трения поверхностей

Ученые обнаружили еще один способ генерирования небольшого количества электричества за счет движения, существующего в окружающем нас мире. На этот раз источником электрического заряда послужил процесс трения двух разных видов пластика. Основанный на гибких полимерных материалах, этот «трибоэлектрический» генератор способен производить переменный ток благодаря таким действиям, как ходьба.

Трибоэлектрические генераторы могут дополнить наногенераторы, которые используют пьезоэлектрический эффект для создания тока путем сгибания нанопроводов из оксида цинка. А поскольку эти генераторы почти прозрачны, они могут поспособствовать разработке нового метода производства активных чувствительных элементов, которые могли бы заменить технологию, применяемую сегодня в дисплеях сенсорных устройств.

«То, что электрический заряд может создаваться посредством этого принципа, уже довольно давно известно, – отмечает Чжун Линь Ван, профессор  факультета материаловедения и инженерии при Технологическом институте Джорджии. – Мы использовали методику разделения зазора, которая приводит к падению напряжения, в результате чего возникает ток, позволяя использовать заряд. Этот генератор может преобразовывать случайную механическую энергию из окружающей среды в электроэнергию».

Исследования были спонсированы Национальным научным фондом, Министерством энергетики и Военно-воздушными силами США. Подробности проведенной работы были опубликованы в июньском номере журнала «NanoLetters». Помимо профессора Вана, соавторами работы стали Фэн Ру Фань, Лун Линь, Гуан Чжу, Венчжоу У, Жуи Чжан из Технологического института Джорджии. Фэн Ру Фань также сотрудничает с Государственной лабораторией физической химии твердых тел при Сянмэньском университете Китая.

Трибоэлектрический генератор работает, когда лист полиэстера трется о пласт полидиметилсилоксана. Полиэстер отдает электроны, в то время как полидиметилсилоксан их принимает. Сразу же после соприкосновения полимерных поверхностей их механически разделяют, создавая воздушный зазор, который изолирует заряд на поверхности полидиметилсилоксана и образует дипольный момент.

Если между двумя поверхностями соединить электрическую нагрузку, возникнет небольшой ток, уравновешивающий потенциал заряда. Благодаря повторяющемуся трению и быстрому разъединению двух поверхностей генератор может производить небольшой переменный ток. Для создания трения используется внешняя деформация.

«Чтобы эта методика работала, нужно использовать два разных материала, – объясняет профессор Ван. – Трение поверхностей одинаковых материалов друг о друга зарядного дифференциала не даст».

Эту технологию также можно применять в создании высокочувствительных датчиков давления с автономным питанием для их дальнейшего использования в органических электронных или оптоэлектронных системах.

Поскольку прозрачность трибоэлектрических генераторов может достигать 75%, такие устройства можно использовать в сенсорных экранах вместо используемых ныне чувствительных элементов. «Прозрачные генераторы можно нанести практически на любую поверхность, – заявляет Ван. – Эта методика может применяться для создания высокочувствительных прозрачных датчиков, которые не требуют питания от батареи устройства». 

Хотя трение гладких поверхностей друг о друга создает заряд, профессору Вану и его исследовательской группе удалось повысить производство тока за счет нанесения микрорельефов. Они изучили три разновидности микрорисунков – линейные, кубические и пирамидальные – и обнаружили, что нанесение пирамидальных фигур на одну из поверхностей производит больше электрического тока: около 18 вольт при 0,13 микроампер на квадратный сантиметр.

По словам Вана, нанесение микрорельефа повышает генерирующую мощность за счет увеличения заряда, что улучшает емкостное сопротивление благодаря воздушным полостям между узорами и облегчает разделение зарядов.

В процессе производства трибоэлектрического генератора ученые начали с создания пресс-формы из кремниевого пласта, на которую наносились повышающие трение узоры. Для этого использовалась традиционная фотолитография и сухое или влажное травление. Далее формы обрабатывались специальным химическим веществом, чтобы предохранить полидиметилсилоксан от прилипания.

Эластомер жидкого полидиметилсилоксана и связывающее вещество смешивались и наносились на форму, а после термической обработки отслаивались в виде тонкой пленки. Эта пленка с микрорельефом наносилась на поверхность электрода, сделанного из смеси оксидов индия и олова и покрытого терефталатом полиэтилена. Далее вся поверхность покрывалась еще одним слоем терефталата полиэтилена и оксида индия и олова, в результате чего образовывалась многослойная структура.

«Весь подготовительный процесс довольно прост и экономичен, его можно использовать даже в промышленных масштабах», - отмечает профессор Ван.

Трибоэлектрические генераторы надежны в эксплуатации: они производят электроэнергию даже после долгого использования и проходят более 100 тысяч циклов работы, отмечают ученые. Следующим этапом исследования станет создание систем с установками для аккумулирования и хранения производимого тока.

«Трение существует повсюду, поэтому новая технология может получить весьма широкое применение в различных сферах, - добавляет профессор. – Мы совмещаем ранее разработанный нами наногенератор и трибоэлектрический генератор для специфических целей. Трибоэлектрический генератор не заменит наногенератор на основе оксида цинка, но он обладает рядом уникальных достоинств, которые позволят использовать обе установки одновременно».

EnergyDaily, перевод с английского – Наталья Пристром

http://www.energy-daily.com/reports/Triboelectric_generator_produces_electricity_by_harnessing_friction_between_surfaces_999.html