Влажность окружающей среды всегда была серьезным препятствием для сбора энергии, поскольку статическое электричество крайне нестабильно. В сухом воздухе заряженная поверхность может удерживать заряд несколько минут, но при наличии влаги он мгновенно исчезает из-за образования тонкой проводящей пленки.
Это физическое явление сводило на нет эффективность традиционных трибоэлектрических наногенераторов (TENG), разработанных для преобразования движения в электрический ток. Однако недавнее исследование, опубликованное в авторитетном научном журнале Advanced Functional Materials, полностью изменило представление об этом классическом физическом ограничении.
Международная группа исследователей под руководством Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Австралии совершила исторический прорыв. Ученые разработали фоточувствительную смолу для создания 3D-печатного устройства, которое не просто выдерживает присутствие влаги в воздухе, но и работает с повышенной эффективностью именно благодаря ей.
3D-печатное устройство, преумножающее электричество благодаря влажности
Ключ к успеху этого нового 3D-печатного устройства кроется в его молекулярном химическом дизайне. Вместо того чтобы изолировать генератор от воды, австралийские исследователи пошли противоположным путем: они создали полимерную сеть, активно поглощающую влагу и использующую ее для выработки энергии.
Исследователи объединили акриловые мономеры, богатые карбоксильными, гидроксильными и амидными группами, которые способны улавливать молекулы воды посредством водородных связей. Окончательная формула была значительно улучшена добавлением 5% сульфобетаинметакрилата (SBMA) — цвиттерионного мономера, обладающего постоянными положительными и отрицательными зарядами в одной молекуле.
Эта молекулярная архитектура позволяет иммобилизовать воду в очень плотных структурированных слоях, не давая жидкости образовывать свободную пленку, рассеивающую заряд. Наоборот, вода удерживается в фиксированных положениях, и ее присутствие усиливает поляризацию системы.
При относительной влажности в 90% система генерирует ток силой 45,6 микроампер при напряжении 802 вольта. Этот показатель соответствует плотности мощности в 48,4 ватта на квадратный метр, что вдвое превышает рекорды любых предыдущих гибких устройств, предназначенных для работы в условиях сильной влажности.
Согласно анализу специализированного портала Nanowerk, главное конкурентное преимущество этой разработки состоит в том, что она позволяет удвоить мощность предыдущих устройств без использования неорганических наполнителей, сохраняя при этом 100% возможность 3D-печати материала.
Спектроскопические анализы подтвердили, что поглощенная вода закрепляется в фиксированных положениях молекулярной сети, а не скапливается в виде свободной проводящей жидкости.
Медицинские применения и бесперебойная связь через кожу без батарей
Практические возможности этой технологии цифровой печати огромны благодаря высокой разрешающей способности смолы, позволяющей создавать микроскопические детали размером до 80 микрометров.
Авторы проекта, доктора Сирилл Бойер и Цзинь Чжан из Университета Нового Южного Уэльса в Австралии, создали сложные структуры: трехмерные решетки, «умные» стельки, способные определять, идет человек или бежит, а также гибкий наперсток, передающий азбуку Морзе простыми касаниями пальца.
Однако самый сложный эксперимент заключался в подключении наногенератора к системе связи с обратным рассеянием (backscatter), чтобы продемонстрировать возможность питания имплантатов без использования батарей.
Переменный ток, генерируемый движением, был выпрямлен и накоплен в конденсаторах для питания радиочастотного считывателя. Этот беспроводной сигнал успешно передавался через слой свиной кожи (имитирующей человеческие ткани) к имплантируемой электронной метке.
Несмотря на то, что кожа животного вызвала ослабление сигнала на 36-59%, принимающее устройство смогло получить от 11 до 17 милливатт мощности. Эти результаты, например, подтверждают возможность подзарядки кардиостимуляторов или других имплантатов, используя исключительно движение и влажность тела пациента.