Разработка наногенераторов открывает нам принципиально новые и широкие возможности для получения электроэнергии. Эти устройства способны очень эффективно преобразовывать энергию микроколебаний, которые имеются практически повсюду, в электрический ток. Например, простое сжатие наногенератора в руке приводит к генерации тока. В 2011 году был создан простой наногенератор, преобразующий колебания в человеческом теле в электрическую энергию. По своим характеристикам он превосходил аналогичные разработки в тысячу раз. Результаты оказались настолько впечатляющими, что было принято решение вывести генератор на рынок. В том же году пять наногенераторов размером с четверть почтовой этикетки смогли генерировать ток силой один микроампер и напряжением 3 вольта – это эквивалентно напряжению двух батареек АА.

С помощью нового генератора удавалось питать жидкокристаллические экраны калькуляторов и даже осуществлять передачу беспроводных сигналов.

Утверждается, что наногенератору достаточно малейших вибраций для генерации электротока, способного поддерживать работу мобильных устройств. Зарядка мобильного телефона станет возможной от таких источников энергии, как человеческая ходьба, биение сердца, слабый ветерок, шум проезжающего автомобиля и даже громкие разговоры.

Современные наногенераторы превращают любые движения (различные перемещения, колебания жидкости и биологическую вибрацию) в источник энергии. Ученые-исследователи сумели объединить наногенератор и солнечную батарею (ячейку), создав тем самым аппарат способный воспользоваться механической и солнечной энергией. Такой генератор-гибрид является первым в своей области.

Наногенераторы, как правило, используют пьезоэлектрический нанопровод. Этой похожей на волосы структурой, состоящей из оксидов цинка, генерируется электрические потенциалы, при механических воздействиях на нее, и создается небольшая энергия. Первым такой прибор изготовили под руководством профессора Zhong Li Wangа.

Если сравнивать с солнечной батареей, то наногенератор еще проигрывает и недостаточно эффективен, но солнечную энергию не всегда можно выработать.

Это и послужило поводом к появлению наногенератора-гибрида. У нового генератора имеется несколько слоев. В верхнем слое имеется место для тонкой солнечной батареи, затем место для кремниевого основания, а в нижнем слое – место для наногенератора. Особые полимеры скрепляют и покрывают все это. Основание из кремния для солнечной батареи и наногенератора является анодом батареи и катодом генератора.

Можно создать наногенератор и солнечную батарею больших размеров и применять их по отдельности, но генератор-гибрид более эффективен и занимает меньшую площадь. Опытные устройства сегодня могут производить 0,6в от энергии солнца и 10мв от пьезоэлектрического элемента. Ожидается увеличение мощности и эффективности этих генераторов-гибридов. Ученые всего мира считает что будущее энергетики за наногенераторами.

При запросе «наногенератор купить» гугл выдаёт интернет-магазин принадлежностей для аквариумов. «наногенератор», который они продают  — это обычный генератор волн. Видимо, для привлечения клиентов, маркетологи выбрали приставку «нано», которая сегодня стала синонимом технического прогресса. В наногенераторах, речь о которых пойдет в этой статье, приставка «нано» отражает размеры рабочего тела, за счет которого вырабатывается электричество. Наногенератор — это устройство, которое преобразуют механическую или тепловую энергию, производимую в результате маломасштабных физических изменений в среде(например, колебаний), в электрическую. В зависимости от того, каким образом преобразуется энергия, принято выделять три класса наногенераторов: пьезоэлектрический и трибоэлектрический преобразуют механическую энергию в электричество, а пироэлектрический тепловую.

Пьезоэлектрический наногенератор

Пьезоэлектрические наногенераторы основаны на (невероятно, но факт) пьезоэлектрическом эффекте. Пьезоэлектрический эффект — это явление, при котором деформация тела приводит к появления электрического заряда на его поверхности. В них используются так называемые нанопроволоки – проволоки с диаметром порядка нанометра. В результате деформации этих проволок на их поверхности образуется электрический заряд: в той части, которая сжата отрицательный заряд, а на растянутой – положительный.

Схема работы пьезоэлектрического наногенератора на примере одной нанопроволоки

Про CVD и Электроспиннинг:

Из недавних разработок можно выделить IENG. IENG может выдавать максимальный пиковый ток короткого замыкания 320 мкА и соответствующую плотность тока 290 мкА/см^2, что превосходит предыдущие разработки пьезоэлектрических наногенераторов почти в два раза. Подробнее об это можно почитать здесь.

Пироэлектрический наногенератор

В таких наногенераторах используется два физических явления — это возникновение в кристаллических диэлектриках поляризации при изменении температуры(свойство пироэлектриков) и эффект Зеебека. Эффект Зеебека – это появления ЭДС в на концах последовательно соединенных разнородных проводников, контакты которых имеют разную температуру. Обратный эффект называется эффект Пельтье

Янтарь — классический пример пироэлектрика

Обычно для получения электричества в пироэлектрических наногенераторах используется эффект Зеебека, но в среде, где температура однородна, например, на открытом воздухе, необходимо использовать свойства пироэлектриков. Отсюда и вытекает одна из особенностей пироэлектрических наногенераторов — узконаправленность: где хорошо работает один тип, там работает плохо другой, и наоборот.

Схема работы пироэлектрика: Ag — серебро, ITO – Оксид индия-олова. Углы на схеме обозначают градусы, в рамках которых будет колебаться диполь под действием температуры.

В целом, пироэлектрические наногенераторы характеризуются высоким напряжением, но невысокой силой тока. Первый пироэлектрический наногенератор был представлен профессором Чжун Линь Вангом из Технологического института Джорджии в 2012 году. Такие генераторы можно широко использовать не только как источники электричества, но и как датчики изменения температур.

Трибоэлектрические наногенераторы и китайский WT-TENG

Наверняка все в детстве натирали расчетку или воздушный шарик о волосы и представляли себя волшебником, поднимая кусочки бумаги в воздух. Данное волшебство объясняется трибоэлектрическим эффектом. Трибоэлектрический эффект — это явление возникновения электрического заряда в результате трения. Основной недостаток таких генераторов – это необходимость держать поверхности в контакте, что является сложной задачей. К тому же само трение ведет к разрушению поверхностей. Совсем недавно, 11 марта исследователи из Китайского университета Гонконга (CUHK) сообщили о своей разработке наногенератора, основанного на трение твердой поверхности и воды — WT-TENG.

Пример работы 150 светодиодов от WT-TENG

Размер полученного генератора сравним со средним пальцем. Со слов исследователей, характеристики у WT-TENG следующие: 9 микрокулонов на м^3 с частотой 0.25 Гц. Ознакомиться с исследованием можно по этой ссылке.

Вот видео, демонстрирующее работу наногенератора:

Необычный способ использования трибоэлектрических наногенераторов применили Ученые из Корейского национального университета Чеджу. Они встроили их в игрушки, которые при определенных действиях(нажатие или тряска) загораются:

Эпилог

Конечно, использование таких технологий для игрушек нельзя назвать невероятным успехом. Но потенциал наногенераторов огромен: различные автономные датчики, например, GPS-трекеры для отслеживания миграции диких животных(ну или чипирование людей от Билла Гейтса) , уменьшение зависимости гаджетов от стационарных источников электричества. Возможно, увеличение КПД различных приборов  за счет сбора отработанной энергии(тепло, вибрации и т.п.). В общем, есть где разгуляться.

Источники: https://habr.com/, http://electrik.info/