SciTechDaily розповідає про інноваційне дослідження, проведене в Університеті Іллінойсу в Урбана-Шампейн, в якому вчені використали шкірку помело для створення самозабезпечених пристроїв, здатних виробляти електрику й стежити за рухами тіла. Ми підготували виклад найцікавішого з цього проривного досвіду.
Біологічні відходи як ресурс для технологій
Помело — великий цитрусовий фрукт, популярний у країнах Південно-Східної Азії, має товсту, м’ясисту шкірку, яка становить до половини маси плоду. Вона зазвичай викидається після очищення, створюючи значний обсяг органічних відходів. Однак дослідники з Університету Іллінойсу вирішили перетворити цей баласт на високотехнологічну сировину.
У центрі уваги науковців — біомаса внутрішнього шару шкірки, що має м’яку, пористу, майже губчасту структуру. Саме ці фізичні властивості стали ключем до створення нового типу енергетичних і сенсорних пристроїв. Дослідники спершу видалили зовнішній шар шкірки, а потім висушили білий внутрішній шар методом заморожування, щоб зберегти тривимірну пористу архітектуру. У результаті вийшов матеріал, що придатний до інтеграції в новітні енергоефективні технології.
Принцип дії: контактна електрифікація
Розроблений пристрій ґрунтується на ефекті контактної електрифікації. Це фізичне явище виникає при терті або натисканні двох різних матеріалів, внаслідок чого виникає електричний заряд — явище, знайоме кожному, хто хоч раз отримував статичний розряд після дотику до металевої ручки взимку.
В основі пристрою — два шари: один виготовлений із шкірки помело, другий — з полііміду (гнучкого пластика). Обидва шари оснащено мідними електродами. Коли ці поверхні притискаються одна до одної, а потім розділяються, відбувається обмін електронами, який і генерує електричний струм. Достатньо легкого постукування пальцем, щоб пристрій зміг засвітити до двадцяти світлодіодів.
Інженери також підключили ці генератори до калькуляторів і спортивних годинників. Завдяки цьому вдалося довести, що пристрої здатні живити побутову електроніку без зовнішнього джерела живлення, використовуючи лише механічні рухи та вбудовану систему управління енергією.
Що таке TENG і як він працює
Трибоелектричний наногенератор (TENG) — це пристрій, який перетворює механічну енергію (рухи, вібрації, дотики) на електричну, використовуючи явище трибоелектричного ефекту та електростатичної індукції.
Трибоелектричний ефект виникає, коли два різні матеріали стикаються, а потім розділяються. У результаті цього контакту один матеріал набуває позитивного заряду, інший — негативного. Це явище нам знайоме зі статичною електрикою — наприклад, коли синтетичний одяг «прилипає» до тіла або волосся стає дибки після зняття шапки.
У TENG ці заряди «збираються» та використовуються для створення електричного струму через замкнене коло. Для цього потрібні:
- два різні за трибоелектричною активністю матеріали (один легко віддає електрони, інший — приймає);
- електроди, які вловлюють заряд;
- механічна дія, яка призводить до циклів дотику та розділення.
TENG-пристрої відрізняються від традиційних генераторів тим, що працюють при дуже малій інтенсивності рухів, мають високу ефективність при низькому енергоспоживанні, виготовляються з дешевих і часто біорозкладних матеріалів, і легко інтегруються в гнучку електроніку. Вони підходять для створення сенсорів у носимій електроніці, розумному одязі, медичних пристроях, здатних працювати без батарей.
Від генерації струму до біосенсорики
Однією з найперспективніших функцій цих пристроїв є можливість моніторингу рухів тіла. Завдяки високій чутливості матеріалу до сили та частоти механічного тиску, пристрої з шкірки помело реагують на найменші рухи. Це дало змогу вченим протестувати концепт сенсорів, які можна прикріпити до суглобів або інших ділянок тіла. Такі сенсори фіксують патерни рухів — наприклад, при ходьбі чи згинанні коліна — й генерують унікальні електричні сигнали, що можуть бути використані для подальшого аналізу.
Потенційно ці сенсори можна застосовувати у сфері реабілітації, спортивній медицині та фізіотерапії — для відстеження прогресу пацієнтів без потреби в дорогих електронних системах або батареях.
Перспективи впровадження та сталого розвитку
Проєкт має і екологічний, і економічний потенціал. По-перше, він зменшує обсяги органічних відходів, перетворюючи харчові рештки на технологічно цінні компоненти. По-друге, відкриває можливості створення дешевих і екологічних джерел живлення для гаджетів.
Ця технологія вже захищена попереднім патентом, а фінансування досліджень здійснювалося за підтримки USDA-NIFA — американської програми інновацій в аграрному секторі. Вчені з Університету Іллінойсу планують надалі вивчати інші види сільськогосподарських відходів як джерело матеріалів для новітніх енергетичних пристроїв.
No Comment! Be the first one.