Ученые ЮФУ создают наногенератор для зарядки гаджетов от городского шума

Наногенераторы на основе углеродных нанотрубок, преобразующих деформации и вибрации от городского шума, движений и разговоров в электрическую энергию для автономного питания носимой электроники, такой как электронные часы, телефоны, наушники и др., разрабатывают ученые Института нанотехнологий, электроники и приборостроения (ИНЭП) Южного федерального университета (ЮФУ), 7 марта сообщает пресс-служба вуза.

Сотрудники ИНЭП под руководством к. т. н., доцента Марины Ильиной выбрали для научных исследований в области создания автономных, не требующих подзарядки, источников питания для устройств персональной и носимой электроники на основе наногенераторов, преобразующих и накапливающих энергию из окружающей среды, легированные азотом углеродные нанотрубки (N-УНТ).

Марина Ильина пояснила: «Идея по разработке наногенераторов на основе преобразования механической энергии окружающей среды в электрическую энергию с помощью пьезоэлектрического эффекта в наноразмерных структурах была заложена в 2006 году. И с тех пор идет поиск подходящего материала для ее реализации. Классические пьезокерамические структуры не подходят, так как являются хрупкими и, как правило, токсичными из-за наличия свинца в составе, а пьезоэлектрические полупроводниковые наноструктуры (оксид цинка, нитрид галлия) обладают недостаточно высоким значением пьезоэлектрического модуля для эффективного преобразования энергии».

Ученые провели исследование влияния геометрических и механических параметров N-УНТ на величину пьезоэлектрического модуля и генерируемого тока. В результате они установили, что нанотрубки, легированные азотом пиррольного типа (создающим гетероциклические соединения), обладают увеличенными механическими и пьезоэлектрическими параметрами, позволяющими значительно повысить величину тока, генерируемого при деформации.

Кроме того, было установлено, что пьезоэлектрические свойства N-УНТ зависят от их длины и диаметра, тогда как классические пьезоэлектрики такой зависимости не демонстрируют.

Исследователи установили, что имеет место линейное увеличение пьезоэлектрического модуля (меры пьезоэффекта от деформации) при невысоких значениях аспектного отношения в N-УНТ длины к диаметру (7–30). Возрастание же этого отношения свыше этого предела приводит зависимость к насыщению.

Поэтому для сохранения высокой «чувствительности» N-УНТ к внешним механическим воздействиям целесообразно использовать массивы N-УНТ с аспектным отношением около 30.

«Результаты данного исследования показывают, что легированные азотом углеродные нанотрубки являются превосходным кандидатом для разработки высокоэффективных наногенераторов благодаря сочетанию высоких механических и пьезоэлектрических свойств, что позволяет сделать существенный шаг вперед для практической реализации данной идеи», — заявила руководитель исследования.

Его результаты ученые представили в статье «Исследование углеродных нанотрубок, легированных азотом, для создания пьезоэлектрического наногенератора», опубликованной в журнале Low Power Electronics and Applications.