цифровая электроника
вычислительная техника
встраиваемые системы

 
» » Что такое наногенераторы и как они работают

Что такое наногенераторы и как они работают

Автор: Mike(admin) от 11-01-2019, 02:35

С тех пор, как Томас Эдисон разработал электрическую лампочку, ученые искали лучшие способы ее питания. Этот поиск привел к серьезному развитию в двух ключевых областях технологии: энергетика и электроника. Поиск все более совершенных источников энергии привел к появлению крупномасштабных услуг электроснабжения, аккумуляторных батарей и устройств для использования возобновляемой энергии из окружающего нас мира, таких как ветряные турбины и солнечные батареи. В области электроники разработчики постоянно ищут более дешевые и мощные устройства, которые потребляют меньше энергии, чем их предшественники.


Что такое наногенераторы и как они работают

Что если бы мы могли производить электричество из энергии, которую мы производим будучи просто живыми созданиями? Представьте, что вы можете держать свой iPod заряженным, просто щелкая пальцами в такт музыке или надевая толстовку с крошечной встроенной платой, которая измеряет ваш пульс. Хотя это может звучать как научная фантастика, наногенераторы воплощают такие источники энергии в реальность.


Наногенератор – это термин, который исследователи применяют для описания небольшого электронного чипа, который может использовать механические движения тела, такие как легкое нажатие пальца, для выработки электричества. Чип имеет интегральную микросхему, выгравированную на гибкой поверхности, аналогично компонентам на платах внутри вашего компьютера. Как следует из префикса «нано», эти генераторы являются частью нанотехнологии или технологии, настолько малой, что ее рабочие размеры измеряются в нанометрах. Таким образом, даже самые сложные и мощные из существующих сегодня наногенераторов достаточно малы, чтобы их можно было держать между двумя пальцами.


Ключевыми компонентами внутри наногенератора являются нанопроволоки или аналогичные структуры, изготовленные из пьезоэлектрического керамического материала. Пьезоэлектрические материалы могут генерировать электрический ток, просто изгибаясь или напрягаясь. Сотни нанопроволок могут быть упакованы бок о бок в пространство, которое меньше ширины человеческого волоса. В этом масштабе и при комбинированной гибкости компонентов наногенератора даже малейшее движение может генерировать ток.


Помимо того, что наногенераторы невероятно малы, они становятся все более мощными. В марте 2011 года исследователи измерили выход пяти наногенераторов, собранных вместе. Этот крошечный стек генерировал ток около одного микроампера, который производил три вольта энергии, примерно столько же, сколько две батареи типа АА.


Итак, как мы знаем, наногенератор состоит из интегральной схемы с компонентами, изготовленными из силикона и пьезоэлектрической керамики, выгравированными на гибкой поверхности, называемой подложкой. В то время как прочность и другие свойства подложки важны при разработке наногенератора, магия происходит в схемотехнике. На поверхности, невооруженным глазом, мы видим серию линий и прямоугольников, которые выглядят как плоское двумерное изображение. Однако микроскопический вид под внешними слоями гибкого чипа показывает совершенно иную трехмерную картину.


Что такое наногенераторы и как они работают

Электричество вырабатывается в пьезоэлектрическом материале. Каждая нанопроволока имеет диаметр от 100 до 300 нанометров (ширина проволоки). Длина каждой нанопроволоки составляет около 100 мкм; один микрон = 100000 нанометров. Чтобы представить это в перспективе, обратите внимание, что длина провода (не ширина) примерно равна ширине двух человеческих волос. В наногенераторе массив нанопроволок прикрепляется к подложке, и на другом конце проводов размещается силиконовый электрод. Электрод имеет зигзагообразный рисунок на своей поверхности. Когда к наногенератору прикладывается небольшое физическое давление, каждая нанопроволока изгибается и генерирует электрический заряд. Электрод захватывает этот заряд и переносит его через остальную часть цепи наногенератора. Весь наногенератор может иметь несколько электродов, получающих энергию от миллионов нанопроводов.


Итак, мы разобрали, как работает наногенератор изнутри. Теперь давайте рассмотрим, где вы сможете найти работающие наногенераторы в течение следующих нескольких лет. Во-первых, врачам нужна надежная технология для питания устройств, имплантированных пациентам, для регулирования или мониторинга здоровья пациента. Примерами таких устройств являются кардиостимуляторы и системы непрерывного мониторинга глюкозы. Имплантация устройств сопряжена с трудностями: они могут со временем изнашиваться или требовать замены батарей или громоздкого внешнего источника питания.


Используя наногенераторы, врачи могут имплантировать новое поколение этих устройств, способных оставаться под напряжением и работать в течение длительного времени с минимальным проникновением в организм. Такие устройства могли бы использовать энергию непроизвольных движений, таких как сердцебиение или расширение легких. Короче говоря, вы могли бы использовать свое тело, чтобы поддерживать в рабочем состоянии устройство, которое в свою очередь помогает вам поддерживать жизнь. Кроме того, благодаря использованию нетоксичных материалов, таких как ZnO, в качестве пьезоэлектрического материала, существует большая вероятность имплантации наногенератора без вреда для организма.


А если рассматривать не только медицину? Исследователи полагают, что наногенераторы могут скоро питать ваш iPod или смартфон. Поскольку наногенераторы настолько малы, их легко можно встроить в ткань футболки или толстовки, чтобы ваш iPod мог использовать ваш импульс для поддержания заряда внутренней батареи. Дополнительным преимуществом использования наногенераторов является их потенциальное положительное влияние на окружающую среду. Наногенераторы используют возобновляемый ресурс: кинетическую энергию от движения тела. Они созданы из более экологически чистых материалов, чем батареи, и у них есть потенциал для сокращения отходов, связанных с производством и утилизацией батарей. Тем не менее, влияние является небольшим, в буквальном смысле, из-за размера и ограниченной мощности наногенераторов. Время покажет, будут ли наногенераторы жизнеспособными для питания больших устройств, таких как ноутбуки.


Наногенераторы, вероятно, не заменят батареи и аккумуляторы, по крайней мере, не в ближайшем будущем. Вам все еще нужны резервные батареи для устройств, с которыми у вас нет постоянного физического контакта, таких как будильники. Вы также хотите, чтобы некоторые устройства продолжали работать вхолостую, даже если вы не используете их или не касаетесь их, например, смартфон. Возможно, в будущем производители объединят наногенераторы с некоторыми типами аккумуляторных систем для создания надежного источника питания с уменьшенным воздействием на окружающую среду.




© digitrode.ru


Теги: наногенератор



   Благодарим Вас за интерес к информационному проекту digitrode.ru.
   Если Вы хотите, чтобы интересные и полезные материалы выходили чаще, и было меньше рекламы,
   Вы можее поддержать наш проект, пожертвовав любую сумму на его развитие.


Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.

Комментарии:

Оставить комментарий