Кремниевый ветер шатает деревья в нанотехническом лесу
Датчики, способные передавать из глубины организма параметры кровяного давления или иные данные, теперь могут быть столь малы, что для них оказываются слишком велики даже самые крошечные батарейки традиционного типа. К счастью, нанотехнологии позволили создать микроскопические генераторы, вырабатывающие ток на месте.
Очередное чудо нанотехнологий держит пинцетом профессор Чжун Линь Ван (Zhong Lin Wang) из технологического института Джорджии (Georgia Tech). Тонкая таблеточка, главная, рабочая часть, которой — это квадратик с поперечником в пару миллиметров, способна выдавать электричество, собирая вибрацию из окружающей среды.
Пусть мощность устройства измеряется пиковаттами — для целей авторов аппаратика этого достаточно.
Масса разных электронных приборчиков (вроде медицинских датчиков внутри тела, или датчиков внутри сооружений) нуждается в чрезвычайно компактных почти вечных источниках питания. Где их взять?
Наногенератор (Nanogenerator), который создал Линь Ван и его коллеги, может оказаться ответом. Если только преодолеет период «детских болезней».
Чжун Линь Ван и его наногенератор (фото Georgia Tech/Gary Meek).
В основе генератора — мириады нанопроводков из оксида цинка. Они являются одновременно и полупроводниками, и пьезоэлектриками.
Так что если их слегка согнуть и отпустить — генерируют импульс тока.
Ранее Линь Ван создал «ковёр» (или «лес») из таких нанопроводков и показал, что при помощи наконечника атомного силового микроскопа можно индивидуально пригибать эти проводки, получая ток.
Заметим, в обычном макромасштабе принцип генерации тока пьезоэлектриками надежд инженеров как-то не оправдал. А в наноизделиях он может оказаться выгодным.
Вот только атомный силовой микроскоп — сооружение весьма крупное и массивное. Так что назвать тот прежний «наноковрик» генератором можно было весьма условно.
Теперь же схема наногенератора обрела законченный вид. Его создатели придумали поместить поверх «леса» специальный зубчатый электрод из кремния, покрытого тонким слоем платины.
На его поверхности выполнили огромное количество выступов, в промежутки между которыми попадают верхушки «нанодеревьев». Дальше – просто.
Кремниевый электрод вибрирует, отклоняет верхушки нанопроводков в разные стороны (как ветер колеблет верхушки деревьев) и собирает с них электрический ток.
Фиолетовый и тёмно-жёлтый цвет – подложка, синий – гибкие, упругие и герметичные стенки, зелёный – пилообразный электрод, серый – нанопроводки, красный – ультразвук и получаемый ток (иллюстрация с сайта gatech.edu).
О замечательной работе такого своего сандвича его авторы отрапортовали в Science (этот же материал выложил (PDF-документ) и Georgia Tech), а также — в пресс-релизе института.
Устройство помещали в воду и подавали ультразвук. «Наноковёр» генерировал постоянный ток в 0,4-0,5 наноампера при напряжении примерно 0,5 милливольта.
В качестве подложки для выращивания нанопроводков группа Линь Ван применяла арсенид галлия, сапфир или даже гибкий полимер. Так что подобную нанобатарейку ещё можно сделать и гибкой.
К тому же основной материал — оксид цинка — не токсичен, что важно для медицинского применения.
В будущем подобные генераторы могли бы собирать либо имеющуюся в теле энергию (кровяной поток, сокращения мускулов), либо улавливать ультразвуковые колебания, специально посылаемые извне. Таким способом, к примеру, небольшой механизм снаружи, на теле пациента, мог бы одновременно подзаряжать массу нанодатчиков, курсирующих внутри тела.
Основные элементы наногенератора. B — выращенные на подложке нанопроводки, C – верхний электрод, D – разрез наногенератора в сборе (фотографии с сайта gatech.edu).
На этой оптимистичной ноте можно было бы и поставить точку. Но американские учёные честно говорят, что их устройство ещё нуждается в усовершенствовании.
Сейчас, как оценивает Линь Ван, в выработке тока участвуют от 250 до 1 тысячи нанопроводков, что составляет лишь 1% от общего их числа. Увы, учёные не научились ещё выращивать эти самые проводки строго одного размера (длиной в микрометр), да ещё и так, чтобы все они шли параллельно друг другу и равномерно размещались на подложке.
Достижение такого идеала могло бы многократно повысить выходную мощность устройства при тех же размерах. Пока же проводки, которые слишком коротки, просто не достают до верхнего электрода.
Те же, что слишком длинны — не могут сгибаться и распрямляться должным образом, чтобы генерировать ток.
Также осталось решить одну важную загадку — почему наногенератор приходит в негодность после часа непрерывной работы? Точного ответа на этот вопрос у исследователей ещё нет.
Но деваться некуда. Для устройств таких размеров удобных способов получения энергии можно вспомнить не так уж много.
В Верхней Салде сильный ветер повалил деревья
