Еще со времен древних греков человечество знало, что при соприкосновении двух вещей создается небольшое количество электричества. Одним из примеров является то, что мы можем потереть воздушный шар своими волосами и произвести достаточно электричества, чтобы прикрепить его к потолку.

Тот же принцип был применен к нашему новому исследованию, опубликованному в журнале Small , в котором было обнаружено, как производить оптимальную генерацию энергии между очень мелкими слоями волокон в материале.

Каждое из этих крошечных волокон примерно в 100 раз тоньше человеческого волоса. Они состоят из полимеров, которые представляют собой повторяющиеся цепочки одних и тех же звеньев. В этом случае мы использовали полимеры этилен-винилацетат, который, помимо прочего, придает кроссовкам их «упругость» , и полимолочную кислоту , которая получается из той же кислоты, которая вызывает мышечные спазмы после тренировки.

Мы чередовали два разных типа волокон в слои очень специфическим образом, чтобы получились «ламинаты». Эти ламинаты состоят из множества уложенных друг на друга микроскопических слоев, и каждый пластырь ламината состоит из десятков тысяч волокон.

Везде, где есть какое-либо движение вокруг слоев волокон, электричество вырабатывается за счет трения между каждым слоем.

Мы изменили размер и текстуру этих волокнистых слоев и упорядочили их особым образом, чтобы оптимизировать трение и контактную электризацию и, в конечном итоге, создать максимальный заряд.

Наше исследование показало, что, используя этот порядок, мы можем получить примерно в 400 раз больше электричества от движения, чем это было возможно ранее из этих материалов. Поскольку мы всегда можем ввести больше интерфейсов, используя более тонкие волокна, этот тип генерации энергии очень масштабируем.

У этого есть интересные потенциальные применения там, где много движения, но сейчас это только в очень небольшом масштабе — например, использование человеческого движения для питания умных часов или подзарядка имплантируемого устройства, такого как кардиостимулятор.

В области биомедицины существует возможность улавливания энергии крови, протекающей через артерию или вену, например, для продления работы инсулиновой помпы.

Эта возможность также очень эффективна в области измерения, особенно если есть необходимость измерить очень слабые вибрации окружающей среды, например, отслеживание незначительной сейсмической активности или изменений в потоке воды , или для питания датчиков в удаленных местах, где вы не можете получить много солнца.

В этих сценариях вы не можете использовать солнечные батареи или легко заменить батарею. Возможность собирать энергию только от вибраций земли для поддержания работы интернета и другой критически важной инфраструктуры имеет значительный потенциал.

Изготовление ламината

Исследование было проведено в сотрудничестве с профессором Андрисом Сутка из Рижского технического университета в Латвии с использованием процесса, называемого электропрядением, для создания полимерных волокон. Регулируя инструмент для электропрядения, мы могли регулировать, какой полимер мы получаем, и его толщину.

Одной из проблем исследования было упорядочивание и контроль того, как слои полимера взаимодействуют друг с другом. Очень сложно контролировать, как каждое волокно вибрирует по отношению к другому, и если вы ошибетесь в порядке, генерируемое электричество нейтрализуется.

Еще одна проблема заключается в том, что полимеры очень мягкие и могут легко деформироваться. Итак, когда мы пытаемся заглянуть внутрь материалов, чтобы оценить структуру, они могут расплавиться или сломаться. Это затрудняет определение характеристик материалов, а процесс создания этих микроскопически маленьких полимерных ламинатов очень медленный.

Современное решение древней проблемы

Несмотря на эти проблемы, мы прошли очень долгий путь с момента первого понимания электрического заряда древними греками.

Наши исследования за последние три года были посвящены пластмассам и тому, как контролировать химический состав, чтобы влиять на заряд. Это кульминация нового понимания того, как пластмассы заряжаются , благодаря квантовой физике в 1900-х годах и развитию приборов, которые позволяют нам точно определять, что происходит, поскольку нам нужно измерять очень малые токи через очень точные интервалы времени.

Сейчас мы смотрим на различные способы использования энергии, которую мы производим. Это исследование произвело в 400 раз больше энергии, чем когда-либо прежде. Тем не менее, это все еще относительно небольшое количество, поэтому приложения будут разными, например, солнечная батарея или другие типы генерации массы-энергии.

На данный момент мы рассмотрели только два типа пластика, но есть еще сотни, которые позволят нам генерировать еще больше энергии.

Более вероятно, что генерируемая энергия будет использоваться в ее источнике, поэтому в процессе передачи не будет потерь этой небольшой, но драгоценной энергии. Есть также потенциальные приложения для сбора акустической энергии, когда вы собираете энергию от разговоров людей и вибраций.

Теперь, когда мы знаем, что можем использовать эти волокна и заказывать их для создания заряда, мы можем создавать различные форм-факторы, такие как полая облицовка внутри трубы или набивка, которая может регистрировать, какую вибрацию испытывает отправленная посылка, и начинать спроектировать его для решения различных задач. Это может найти применение, если мы посмотрим, например, на покрытие труб или строительство опор для использования энергии инфраструктуры.

Преобразующий потенциал этого открытия впечатляет, хотя через несколько лет мы узнаем больше о том, как использовать энергию небольших движений для достижения больших успехов.