This is science: поставить трибоэлектричество на службу человечеству

      Комментарии к записи This is science: поставить трибоэлектричество на службу человечеству отключены

This is science: поставить трибоэлектричество на службу человечеству

По всей видимости, этот принцип несколько доктора наук Ванга (Wang), что удачно совмещает работу в пекинском университете наноэнергетики и наносистем и технологическом университете Джорджии, избрала собственной максимой. За последние полгода в свет вышло в общем итоге 7 работ лишь в издании американского химического общества ACSNano (impact factor 12.062), о них-то мы сейчас и поболтаем. Тем более, что эти совокупности имееют настоящие шансы стать главной запитки носимых умной одежды и датчиков.

Вместо предисловия

В начале нынешнего года была напечатана работа и её краткий пересказ на Хабре о получении электричества за счёт трибоэлектричества. Смотрелось это тогда, как некая экзотика, быть может, не имеющая обычного применения в народном хозяйстве, не смотря на то, что авторы статьи показывали, что на базе разработки возможно создать, к примеру, независимую погодную станцию. Каково же было моё удивление, в то время, когда, как из рога изобилия, начали сыпаться статьи в высокорейтинговом издании, в которых была предложена масса способов применения электричества статического электричества.

Но начнём с главного – с маленького экскурса в повторения и физику материала прошлой статьи. Итак, многие из нас сталкивались в повседневной судьбе с таким явлением, как трибоэлектричество, другими словами электричество (либо более совершенно верно, разделение зарядов), появляющееся при трении двух материалов либо веществ (к примеру, с различной плотностью). Наряду с этим такое разделение зарядов возможно обрисовать двумя главными чертями: фактически, величиной заряда (либо тока) и разностью потенциалов.

Само собой разумеется, эти характеристики зависят от многих параметров: влажности, температуры, природы применяемых материалов и без того потом.

В случае если у тебя, дорогой Почитатель Хабра, имеется дома синтетическое покрывало-плед, то в темноте, выбирая данный плед, возможно заметить искры, проскакивающие между телом либо отдельными участками оного, и ощутить запах «грозы» (озона) и оксидов азота. Подобные примеры – испытания от канала «Несложная Наука»:

Либо вот ещё:

В большинстве случаев, на уроках по физике в школе данный эффект преподносится, как что-то ненужное либо кроме того вредное (к примеру, для компьютерной техники, в авиации), но, это не совсем так – давайте обратимся к примерам.

Hort ihr mich?

«Вы меня слышите?» — как пелось в одной песни германской группы Rammstein. Да, с уверенностью сообщили авторы работы, предложившие применять трибогенератор для самозапитывающегося микрофона, звукового определения положения тела и ещё для звуковых весов.

Схема созданного устройства представлена ниже. Необходимо подчеркнуть, что она мало чем отличается от всем привычного нам микрофона, с той только отличием, что вместо электромагнитных эффектов, таких как изменение индукции либо ёмкости конденсатора, измеряемой чёртом есть, как и случае с трибогенератором, ток.

Схема устройства самозапитывающегося детектора и микрофона звуковых волн (PET – полиэтилентерефталат, PTFE – тефлон)

Конечно же, были выяснены и звуковые характеристики. Конечно, что чем выше громкость (чем ближе источник звука к самому микрофону), тем лучше трудится таковой микрофон, но не следует забывать, что устройство не требует внешнего источника питания, сигнал возможно возможно усилен приёмником.

Электрические и звуковые характеристики взятого устройства: (a) напряжение разомкнутой цепи, (b) ток замыкания, (с) зависимости этих черт от расстояния до активного элемента и (d) диаграмма направленности микрофона

Коль не так долго осталось ждать, микрофон имеет такую диаграмму направленности, то грех на его базе не создать детектор положения источника звука, причём самозапитывающийся. Фактически, что и было проделано на базе корреляций сигнала между несколькими источниками:

Пример применения устройства для детектирования источника звука

И это ещё не всё, кроме этого подобного рода мембрана возможно использована для взвешивания предметов при помощи звука, как продемонстрированно в данном видео. Учёным удалось добиться чувствительности 270 мВ/мг, взвешивая массы от 40 мг до 400 мг. В принципе, такие весы смогут применяться в ювелирной индустрии из-за очень высокой чувствительности и низкой цены.

Видео о работе детектора и микрофона положения звука возможно взглянуть на сайте либо Yandex-Disk.

Уникальная статья в ACSNano (DOI: 10.1021/nn4063616).

Туда-сюда-обратно, тебе и мне – электричество.

(a, b) Схема трибоэлектрического генератора. (с-e) Полимерная плёнка (каптон) с бронзовыми контактами в собранном и разобранном состоянии

Выглядит данное устройство легко кхм-кхм… эротично, но что сделать, наука требует жертв. В случае если в первой статье полимерная пластинка с маленьким бронзовым участком колебалась между двумя электродами, то сейчас заряд накапливается при перемещении двух полимерных плёнок относительно друг друга, как продемонстрировано на рисунке:

Принцип работы трибоэлектрического генератора (a), и эти моделирования для данной совокупности (b-f).

Авторы кроме этого опубликовали несколько видео (взглянуть возможно с сайта издательства либо с Yandex-Disk), как возможно приводить в воздействие этот трибогенератор от перемещения волн либо человека.

И не смотря на то, что большая выходная мощность образовывает всего 10–12 мВт (1.36 Вт/м2) при токе около 300 мкА и при скорости перемещения 1 м/с для показанного устройства, возможно это возможно использовано для навигационных маяков, и, чем линия не шутит, в носимой «умной» одежде для подпитки встроенного кардиометра либо трекера, к примеру. Подробнее об этом поболтаем в самом финише статьи.

Уникальная статья в ACSNano (DOI: 10.1021/nn500694y).

Логическим продолжением данной работы явилась разработка двух моделей генератора электричества посредством волн и капель дождя.

В первом случае накатывающая волна приносит с собой некий заряд, что «поглощается» полимерной плёнкой фторированного полиэтиленпропилена (FEP), как представлено на рисунке:

Схема работы трибоэлектрического генератора на базе приливных волн

Мощность для того чтобы генератора выясняется на уровне единиц Вт/м2, но с учётом того, что такая установка возможно размещена на протяжении неиспользуемого побережья, возможности, в принципе, обнадёживающие и заманчивы. К тому же ливень либо стекающая вода также будут быть применять для выработки электричества – видео (сайт издательства либо с Yandex-Disk).

Уникальная статья в ACSNano (DOI: 10.1021/nn5012732).

Во втором случае, употреблялась более сложная двухконтурная совокупность, которая разрешает преобразовать не только электростатическую электричество от перекатывания капель, но и приобретать энергию от ударного сотрудничества капель с поверхностью.

Неспециализированная схема двухконтурного трибоэлектрического генератора: первый контур – наночастицы диоксида титана, снабжающие несмачиваемость поверхности и скатывание капель дождя, второй контур – наночастицы диоксида кремния, соприкасающиеся с тефлоновой плёнкой при ударе падающей капли

Капля, попадая на наклонную поверхность для того чтобы генератора, несёт с собой некий заряд (допустим хороший), а в ходе перекапывания по поверхности электризует полимерную плёнку (соответственно, отрицательно), а бронзовый электрод только «собирает» данный избыточный отрицательный заряд. Второй же контур трудится на принципе обрисованном пара раз выше: наночастицы диоксида кремния при ударе соприкасаются с тефлоновой плёнкой, создавая разность потенциалов и электризуясь. Подробности работы двух контуров по отдельности в схематическом виде представлены ниже:

В конечном счёте, первый контуру даёт мощность около 1.3 Вт/м2, в то время как контур, утилизирующий механическую энергию падения капель разрешает дополнительно взять до 0.3–0.4 Вт/м2. К тому же, на базе таких совокупностей смогут быть созданы самозапитывающиеся сенсоры разных молекул. В частности, в статье приведён пример с этанольным сенсором, разрешающим определять доли процента данного соединения.

А в условиях больших мегаполисов это смогут быть датчики разных газов для определения экологического состояния воздузха.

Видео, демонстрирующее работу устройства, возможно взглянуть на сайте издательства либо c Yandex-Disk.

Уникальная статья в ACSNano (DOI: 10.1021/nn501983s).

Навстречу носимым совокупностям подзарядки

И последняя пара статей на сегодня, о которых хотелось бы поведать, посвящена практически прототипу зарядки, что через несколько лет возможно встроен в отечественную повседневную одежду для элементов умной одежды.

Схема концепта для выработки трибоэлектричества за растяжения и счёт сжатия

Сущность данной разработки содержится в том, что при сжатии либо растяжении опять-таки появляется статическое либо трибоэлектричество, которое возможно запасено при ходьбе либо беге и направлено, к примеру, на зарядку вашего смартфона, лежащего в кармане. В принципе, такие совокупности также будут быть использованы для выработки электричества от падения капель либо приливных волн, как было показано выше. И не смотря на то, что вырабатываемая мощность не так громадна (~0.4 Вт/м2), её в полной мере хватило на то, дабы запитать массив LED в совершённых опытах (см. видео).

Кроме этого авторы опубликовали пара видео, демонстрирующих работу устройства, каковые возможно взглянуть на сайте издательства либо с Yandex-Disk.

Уникальная статья в ACSNano (DOI: 10.1021/nn502618f).

Но большая мощность обрисованной выше платформы для выработки трибоэлектричества достигается при частоте сокращений более 100 Гц, что, согласитесь, более весьма интересно для спортсменов, но во второй работе учёные создали ткань на базе простых хлопчатобумажных нитей, которая разрешает производить электричество за счёт сокращений мышц при ходьбе, к примеру, либо несложного похлопывания.

Новая ткань, разрешающая производить электричество: особые волокна вплетаются в простое хлопчатобумажное

В этом случае хлопчатобумажные волокна сперва покрываются углеродными нанотрубками, а после этого часть из них дополнительно тефлоном. Потом пары таких волокон вплетаются в простую ткань и смогут трудиться, как генератор трибоэлектричества за трения волокон и счёт перемещения приятель о приятеля.

Электрический принцип работы двух волокон чтобы получить трибоэлектричество

Снова стоит оговориться, что удельная мощность таких устройств не так громадна, как хотелось бы, равно как и накапливаемый заряд – всего пара нКл за полминуты, но, этого хватает, дабы оживить монохромный дисплей несложным перемещением пальца (см. видео).

Либо же, для того чтобы малого количества электричества в полной мере может хватить для какого-нибудь сенсора, встроенного в одежду, к примеру, термометра, для активации которого достаточно только похлопать по месту размещения трибогенератора.

Носимый самозапитывающийся термометр – ещё один ход к носимой электронике

Видео с демонстрациями возможно взглянуть на сайте издательства либо на Yandex-Disk.

Уникальная статья в ACSNano (DOI: 10.1021/nn501732z).

Science in service to the public good | Siddhartha Roy


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: