Български проект с чуждестранно участие: Наноструктури произвеждат енергия чрез движения на човешкото тяло

Покритието използва пиезоелектричния ефект, а материалът се нарича пиезоелектричен. Потенциалното му приложение е в елементи, служещи като алтернативни източници на енергия, които се активират от механично натоварване. За възникване на максимално механично усилие в наноструктурата, което да предизвика по-силен ефект на генерация на електрически заряд, покритието е израстнато върху гъвкаво фолио от еластичен полимер. Това позволява прикрепване на гъвкавите енергопроизвеждащи елементи към релефни повърхности с разнообразни форми. Пример за подобна повърхнина е човешкото тяло и неговите извивки. Устройството трябва да е достатъчно чувствително, за да реагира дори на слабо механично натоварване, при движение на обекта, за постигане на максимална ефективност. Също така, елементите трябва да са достатъчно леки и компактни (например квадрат с размери 15 х 15 мм), за да не се усеща дискомфорт от тяхното наличие. Крайната цел е да се произведе енергия, достатъчна за захранване на маломощни консуматори - най-често портативните устройства, които използваме в нашето ежедневие. Подобни решения за пиезоелектрични микрогенератори, реализирани на прототипно ниво, текущо има вложени в подметките на спортни обувки.

До момента учените са установили, че наностуктурирането на покритието позволява увеличаване на активната повърхност на материала (общата разгърната площ е в пъти по-голяма от тази на напълно гладък слой от него). Така, всеки нанообект допринася със собствен произведен заряд, който се сумира с останалите. Това е предпоставка за генериране на повече енергия, въпреки малките му размери, в сравнение с покрития, които не са наноструктурирани. 

Описание: Микроскопската снимка с 60 000 пъти увеличение, показваща разклонените нанонишки на пиезоелектричния материал. Дължината на нанонишките варира между 80 и 250 нанометра, а генерираното напрежение еоколо 1 V при натоварване 350 гр и радиус на огъване 12 мм. (Appl. Sci. 2017, 7(9), 890)

Автор: катедра "Физика", SavitribaiPhule Pune University, Индия

Описание: Форма на генерирания от наноструктурата електричен сигнал.

Автор: Доц. д-р Мария Александрова, катедра "Микроелектроника", ТУ-София

Изследванията на екипа показват, че използването на полимери, вместо класическите метални контактни електроди за събиране и отвеждане на електрическия заряд, води до подобряване на еластичността на целия елемент. Повишава се и надеждността му при многобройни цикли на огъване, усукване и опъване, или при по-голямо натоварване, отколкото може да се реализира чрез човешко движение. Това прави потенциалната приложимост на новооткритите наноструктури много широка - като например вградени в гуми на превозни средства, активирани от въртенето им при движение и захранващи електрониката. Чрез прецизна настройка на технологичния процес по израстване на нанодървовидната структура е постигнат контрол над геометричните ѝ параметри на наноразмерно ниво. По този начин се управлява нейната реакция по отношение на силата и честотата на събитието, което предизвиква генерация на заряд.

Описание: Разгънато положение на пиезоелектричния генераторен прототип (1 – пиезоелектрично наноструктурирано покритие; 2 – контактен електрод; 3 – проводящо фолио)

Автор: Д-р инж. Георги Колев, катедра "Микроелектроника", ТУ-София

Описание: Огънато положение на пиезоелектричния генераторен прототип. (IEEE XV-th International Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems, 1 - 3 June 2017, pp. 320-324.)

Автор: Д-р инж. Георги Колев, катедра "Микроелектроника", ТУ-София

След интензивни експерименти, учените докладват за успешна работа на наноструктурите в нискочестотния диапазон на механично натоварване (събития, които се случват рядко), в който попадат и човешките движения. Това, до момента, беше научно и технологично предизвикателство, поради физико-механични особености на материалите на атомно ниво. Това ограничаваше работата на такива елементи до една честота или множество такива, но от високочестотния диапазон (събития, които се повтарят през хилядни части от секундата).

Експериментите се провеждат по линия на научно-изследователски проект, финансиран от Българския Фонд за Научни Изследвания (ДН 07/13 "Изследване на пиезоелектричната реакция на слойни микрогенератори върху гъвкави подложки") по конкурс за фундаментални научни изследвания, с бенефициент Технически Университет – София. Целта на проекта е да се получат нови знания за гъвкавите пиезоелектрични наноструктури, за технологията на структуриране на пиезоелектрични материали, за електромеханичното им поведение и процесите на генериране и пренасяне на заряд, както и постигането на контрол над тези процеси с цел оптимизиране на работата им като микрогенератори.

Проектът е с продължителност 3 години, считано от декември 2016 година и в него участват утвърдени специалисти от 5 организации от България (Институт по физика на твърдото тяло и Централна лаборатория по слънчева енергия и нови енергийни източници към Българската Академия на Науките), Германия (Университетпо приложни науки в Билефелд) и Индия (Университета в Пуне и Институт по отбрана и съвременни технологии в Пуне). В колектива са привлечени редица млади учени – пост-докторанти, докторанти и студенти. Постигнатите до момента резултати са в процес на внедряване, като тестови постановки в учебния процес на катедра "Микроелектроника" за обучение на студентите по специалности "Микроелектроника" (ОКС "бакалавър" и "магистър") и "Микротехнологии и наноинежеринг" за магистри. Това засилва още повече техния интерес към нанотехнологиите и изследователската работа.

При положителна оценка на резултатите от първия етап на проекта, бъдещата работа на екипа през втория му етап (2018-2019 г.) ще бъде реализация на енергопроизвеждащ гъвкав елемент, изцяло изработен от органични материали, които са биосъвместими. Цели се потенциално прилагане за имплантиране в човешкото тяло и активирането му от биопроцесите в организма (дишане, пулс). Разработката ще бъде полезна за реализацията на енергонезависимо захранване на сензори, следящи показателите на човешкия организъм. По този повод, членовете на екипа са осъществили контакт с китайски лекари-изследователи, които изследват възможността за реална приложимост на подобен род структури.

Резултатите, постигнати до момента, са публикувани във водещи, международно признати научни списания - Applied Sciences, Journal of Physics CS - и са докладвани на престижни научни конференции - IEEE 15thInternational Conference on Electrical. Machines, Drives and Power Systems 2017 and 20thInternational Summer School on Vacuum, Electron and Ion Technologies 2017.

Автори: Мария Александрова, Георги Колев, Иван Тодоров, Милети Фъртунков, Красимир Денишев

Главна снимка: Архив