От отходов к успеху: из кожуры помело добыли электроток

Помело — крупные цитрусовые плоды, обычно выращиваемые в Юго-Восточной и Восточной Азии. У них толстая кожура, которая идёт в отходы. Исследователи из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне изучили способы, как использовать биомассу из кожуры, чтобы питать небольшие электрические устройства, фиксируя показатели человеческой биомеханики.


Соавтор исследования Йи-Ченг Ван рассказал, что у кожуры помело есть два основных слоя: тонкий внешний и толстый белый внутренний. Белый мягок и похож на губку при надавливании. В общем, изобретателей интересовала не химия, а физика фруктовых очистков.


— Ван.



Плод помело обычно весит от 1 до 2 кг, и кожура составляет от 30% до 50% от его массы. Учёные отделили кожуру и удалили внешний слой. Оставшуюся толстую пористую белую составляющую нарезали на кусочки и высушили, сохранив уникальную пористую структуру. Высушенное хранили при разной влажности.

Проанализировав химический состав «губки» и механические свойства, исследователи использовали сушёную кожуру для создания устройств, которые могут преобразовывать механическую энергию в электричество и служить автономными датчиками движения. Иными словами, работать без батареек.



Созданные устройства используют принцип контактной электризации, объяснил Ван. Явление известно в быту. Например, когда мы прикасаемся к дверной ручке, иногда чувствуем разряд тока. Явление это ещё называют трибоэлектризацией, где «трибо» означает «трение».


— Ван.

Экспериментаторы использовали кожуру и пластиковую плёнку в качестве двух трибоэлектрических слоёв, которые соприкасаются при воздействии внешней силы. Они прикрепили к каждому из этих слоёв электрод из медной фольги и оценили, насколько хорошо полученное устройство может преобразовывать внешнюю механическую энергию в электричество. Например, просто постукивая пальцами по устройству, они могли зажечь около 20 светодиодов.



Они также продемонстрировали, что калькулятор или наручные часы могут работать исключительно за счёт этих механических сил, без необходимости во внешнем источнике питания. Нужно было лишь увязать устройство с накопителем тока.

Созданные образцы обладают большим потенциалом для преобразования механической энергии в полезное электричество, которая в противном случае была бы потрачена впустую, сказал Ван. Также выяснилось, что благодаря естественной пористой структуре кожуры трибоэлектрические устройства на её основе могут быть очень чувствительны к силе и частоте воздействия. Это в результате вдохновило исследователей на создание сенсорных устройств, которые можно прикреплять к телу человека для биомеханического мониторинга.

Прикрепив датчики к различным частям тела, исследователи смогли отслеживать работу суставов и походку. Всё довольно просто: движения частей тела приводят к электризации при контакте между трибоэлектрическими слоями. В соответствие с действиями рук или ног генерируются различные электрические сигналы. В общем, научная группа Вана считает, что у таких датчиков есть большой потенциал в области здравоохранения и физической реабилитации пациентов.