211service.com
Využití síly křečka pomocí nanogenerátoru
Sluneční světlo, vítr a vlny nejsou jedinými zdroji obnovitelné energie. Pro výzkumníky, kteří doufají, že budou moci pohánět zařízení v nanoměřítku, je tu také síla svalů.
Svalová síla: Tento křeček má na sobě bundu připevněnou k nanogenerátoru, který sbírá biomechanickou energii, když běží na cvičebním kole.
Každý tlukot srdce a každý vrtkavý pohyb, který člověk udělá, když sedí u počítače, s sebou nese malé množství energie, které by se potenciálně dalo pohltit. Sklízení tohoto biomotoru je však náročné, protože jeho velká část je nepravidelná. Nyní výzkumníci poprvé prokázali, že nanogenerátor může být poháněn nepravidelným, nízkoenergetickým biopohybem, včetně klepání lidským prstem a nevyzpytatelného běhání a škrábání křečka.
Nanogenerátor výzkumníků využívá piezoelektrický efekt – způsob, jakým některé krystalické materiály produkují elektrický potenciál, když jsou vystaveny mechanickému namáhání. Tým v čele s Zhong Lin Wang , profesor materiálové vědy a inženýrství na Georgia Tech, vyrábí generátory využívající piezoelektrické nanodrátky od roku 2005. Nejnovější nanogenerátor se skládá ze série nanodrátů z oxidu zinečnatého namontovaných na pružném plastovém povrchu. Dráty jsou spojeny mezi sebou a s vnějším elektrickým obvodem kovovými elektrodami. Když se plast ohýbá, ohýbají se také dráty a tento pohyb vytváří elektrický potenciál v drátech, který pohání proud přes vnější obvod.
V článku publikovaném tento týden online v časopise Nano dopisy Wangova skupina popisuje použití nanogenerátoru ke sklizni různých druhů biomechanické energie. Vědci připojili nanogenerátor k ukazováčku člověka a zaznamenávali výkon, když klepal na povrch. Sklízeli také energii z křečka, který měl na sobě malou bundu připevněnou k zařízení, když hlodavec běžel na cvičebním kolečku a škrábal se.
Jiní výzkumníci vyvinuli piezoelektrické konzoly, které mohou také sklízet biomechanickou energii, ale tyto systémy se spoléhají na pravidelnou mechanickou rezonanci na specifické frekvenci. Většina biopohybů – protahování svalů, houpání paží, chůze, dokonce i tlukot srdce – produkuje mechanickou energii, která je více nepravidelná. Wang říká, že jeho skupina vyrobila první generátor, který skutečně dokáže sklízet malé, nepravidelné pohyby.
Energie generovaná zařízením je v současnosti malá (asi nanowatt), ale Wang říká, že je to stále důležitý krok na cestě k vývoji užitečných zdrojů energie pro zařízení v nanoměřítku. Dokonale citlivé senzory v nanoměřítku vyžadují velmi malý výkon – asi mikrowatt – k provádění věcí, jako je detekce patogenů nebo rakovinných proteinů. Ale součástí toho, co brzdí jejich vývoj, je velikost a životnost stávajících napájecích zdrojů. Implantovatelné nanosenzory potřebují zdroj energie, který má nanorozměry a má dlouhou životnost, takže není nutné jej chirurgicky odstraňovat a nahrazovat.
Wangova skupina zatím nevytvořila implantovatelnou verzi nanogenerátoru, ale Wang říká, že by to teoreticky mělo být možné. Nanogenerátory mohou být například uzavřeny v biokompatibilních polymerech a implantovány do svalové tkáně.
Vědci pracují na zvýšení výkonu zařízení přidáním dalších piezoelektrických drátů uspořádaných do série. Kromě napájení zařízení v nanoměřítku by piezoelektrické generátory mohly být spojeny s většími zařízeními. Wang doufá, že během příštích pěti až deseti let výrazně zvýší výkon generátoru tak, aby mohl být vetkán do látky bundy lidské velikosti a získat dostatek energie k nabíjení baterií pro přenosná elektronická zařízení.