Пьезоэлектрическая ткань превратила ремень сумки в электрогенератор

Исследователи создали ткань, вырабатывающую электрический ток при растяжении. Ее волокна состоят из внешнего пьезоэлектрического слоя и проводящей внутренней основы, передающей электричество на электронные компоненты. Сумка с ремнем из такой ткани может вырабатывать при ходьбе достаточное количество энергии для питания светодиода, сообщают разработчики в журнале npj Flexible Electronics.

В смартфонах, ноутбуках и других подобных устройствах установлены большие экраны и мощные чипы, потребляющие много энергии, из-за чего их приходится часто заряжать от сети. Но существует класс носимых устройств, например, шагомеров, которые используют всего один или несколько небольших электронных компонентов, требующих минимальное количество энергии, и инженеры считают, что их вполне можно сделать полностью автономными, запитав каким-либо образом от движений человеческого тела. Многие исследователи уже несколько лет работают над компактными трибоэлектрическими генераторами, вырабатывающими электричество при сгибании, ударах или растяжении. Но, несмотря на высокие характеристики, у них есть и недостатки, например, их сложно встроить в одежду из-за того, что они часто представляют собой толстую полимерную пленку.

Группа исследователей под руководством Кристиана Мюллера (Christian Müller) из Технического университета Чалмерса разработала для этой цели пьезоэлектрическую ткань. Она состоит из двух типов нитей — пьезоэлектрической и проводящей, которые служат в ткани утком и основой соответственно. Пьезоэлектрическая нить состоит из двух слоев: центрального из полимерной матрицы с частицами технического углерода и внешней, состоящей из полимера с пьезоэлектрическими свойствами. Поскольку изначально диполи в полимере расположены хаотично, исследователи поместили нить в электрическое поле высокой напряженности, которое ориентировало их. Вторая часть ткани — проводящая нить из полимера с серебряными частицами, выступающая в роли второго электрода.

При растяжении пьезоэлектрическая нить деформируется и распределение зарядов в ней меняется, что вызывает электрический ток в цепи. Эффективность такой выработки электричества можно увеличить, намочив ткань, и улучшив тем самым контакт между нитями.

Исследователи создали кусок ткани размером 2,5 на 20 сантиметров и протестировали его свойства, заменив им часть ремня от сумки. Они показали, что сумка, загруженная тремя килограммами книг, может вырабатывать электричество с мощностью четыре микроватта и напряжением восемь вольт, и этого достаточно для периодического питания светодиода. Как отмечают авторы, вырабатываемая мощность может быть и больше. К примеру, если сделать из пьезоэлектрической ткани весь ремень и часть сумки, принимающую основную часть нагрузки, ее можно увеличить до десятой части милливатта без изменений в материале. А если заменить технический углерод в нитях на углеродные нанотрубки, мощность можно поднять еще на два порядка, вплоть до десяти милливатт.

Недавно другая группа ученых разработала похожую технологию. Они научились плести на основе углеродных нанотрубок нити, вырабатывающие электричество при растяжении. А в середине прошлого года китайские исследователи создали нитевидные аккумуляторы, которые можно заплетать в ткань на обычном ткацком станке.

Григорий Копиев