Простые механические вибрации превратили в электричество для питания датчиков

Инженеры создали новый материал, который преобразует простые механические вибрации вокруг нас в электричество для питания датчиков во всём, от кардиостимуляторов до космических кораблей. Исследование опубликовали в журнале Nature Communications («Связи с природой»).


Первая в своём роде генерирующая система — результат десятилетней работы исследователей из Университета Ватерлоо и Университета Торонто. Она компактна, надёжна, недорога и вполне экологична.


— Асиф Хан, исследователь из Университета Ватерлоо и соавтор проекта.

Система, разработанная Асифом Ханом и его коллегами, основана на пьезоэлектрическом эффекте, который генерирует электроток за счёт воздействия на вещество. В том числе подходят механические вибрации.

Эффект обнаружили в 1880 году, и с тех пор ограниченное количество пьезоэлектрических материалов, таких как кварц и сегнетова соль, она же калий-натрий виннокислый, использовались в различных технологиях, от гидролокатора и ультразвуковых исследований (УЗИ) до микроволновок.

Проблема в том, что до сих пор традиционные пьезоэлектрические материалы в коммерческих устройствах имели ограниченные возможности для выработки электроэнергии. К тому же в них часто присутствует свинец, вредный и для окружающей среды, и для здоровья.

Исследователи из Канады решили обе проблемы. Они начали с выращивания большого монокристалла молекулярного металлогалогенидного соединения под названием хлорид меди EDABCO-CuCl₄. При этом использовали эффект Яна-Теллера — это хорошо известное в химии явление. Точнее, совокупность эффектов, связанных с взаимодействием орбитальных состояний электронов и искажений поля кристаллической решётки.

Асиф Хан рассказал, что полученный пьезоэлектрический материал использовали для изготовления наногенераторов с рекордной плотностью мощности, которые могут улавливать крошечные механические колебания в любых динамических условиях, от движения человека до автомобилей. Причём процесс не требует ни содержания свинца, ни традиционных, невозобновляемых, источников энергии.

Наногенератор получился крошечным — площадью 2,5 квадратных сантиметра и толщиной примерно с визитную карточку — и может быть использован в бесчисленных ситуациях. У изобретения есть потенциал для питания датчиков в огромном количестве электронных устройств, включая миллиарды составляющих интернет вещей (IoT). Глобальная сеть объектов IoT с датчиками и программным обеспечением, которые подключаются и обмениваются данными с другими устройствами, уже и так огромна, но не перестаёт расти.

Доктор Даян Бан, исследователь из Института нанотехнологий Ватерлоо, пояснил, что в будущем вибрации самолёта могут питать его же системы. Или, например, сердцебиение человека может поддерживать работу кардиостимулятора без батарей. Профессор электротехники и вычислительной техники добавил, что новый материал продемонстрировал рекордную производительность и наметил новый путь в своей области.