Корейские инженеры встроили трибоэлектрические наногенераторы, вырабатывающие ток за счет трения, в детские игрушки — получившиеся биосовместимые «умные» уточка и трещотка не требуют батареек и получают энергию за счет нажатия или взмаха, говорится в статье, опубликованной в ACS Sustainable Chemistry & Engineering.
Трибоэлектрические наногенераторы тока рассматривают как один из перспективных типов постоянных источников тока: в отличие от обычных батареек, они не требует регулярной замены, а кроме того, их можно сделать из материалов, безопасных для окружающей среды. Основаны такие устройства на использовании трибоэлектрического эффекта — появлении в материале электрического тока в результате трения. Пока такие электрогенераторы обладают слишком низкой мощностью для питания полноценных электронных устройств, поэтому в производстве и коммерческих устройствах не используются.
Инженеры под руководством Кима Сан-Чжэ (Sang-Jae Kim) из Национального университета Чеджу сделали первый шаг к коммерциализации автономных трибоэлектрических наногенераторов, использовав их для электропитания детских игрушек. Биосовместимые трибоэлектрогенераторы на основе полидиметилсилоксана с алюминиевыми электродами ученые встроили в два типа игрушек: в резиновых уточек и в хлопающие трещотки, — пластиковые лопасти в форме животных на палочке, которые хлопают, когда ими трясут. Эти генераторы использовались в качестве автономных биосовместимых источников тока, которые в ответ на внешнее воздействие питали встроенные в игрушки фотодиоды.
В хлопающей трещотке, при ее постоянном встряхивании с максимальной скоростью 1 метр в секунду удалось получить электрическое напряжение цепи короткого замыкания 30 вольт и ток 600 наноампер. Этого оказалось достаточно, чтобы при непрерывном встряхивании можно было питать светодиоды, расположенные в глазах игрушки. При этом ученые показали, что за 100 циклов работы такое устройство не теряет своих свойств.
Другой игрушкой, которую ученые сделали «умной», добавив в нее трибоэлектрический силиконовый генератор, стала резиновая уточка. Для того, чтобы включить лампочки в глазах уточки, ее не нужно трясти, можно просто надавить на нее. В этом случае при скорости нажатия 1 метр в секунду напряжение достигало 130 вольт, а ток короткого замыкания — 1 микроампера. В этом случае, и за 700 циклов работы показатели устройства не падали.
Ученые отмечают, что автономные бисовместимые игрушки, реагирующие на внешнее воздействие, могут быть весьма востребованы, особенно принимая во внимание, что в последние годы растет популярность электронных игрушек (например, в США по статистическим данным более 97 процентов детей в возрасте до 4 лет пользуются электронными устройствами). Кроме того, возможность быстрой зарядки конденсаторов с использованием электрогенераторов дает возможность для их коммерческого использования и в других устройствах.
Чтобы трибоэлектрические наногенераторы действительно можно было использовать в более сложных электронных устройствах, ученым необходимо добиться повышения их мощности. Например, недавно физики показали, что повысить максимальную мощность аналогичных трибоэлектрических устройств на основе полидиметилсилоксана можно с использованием мятой золотой пленки в качестве одного из электродов. А чтобы можно было растягивать устройства на основе трибоэлектрических наногенераторов в три раза, химики использовали в качестве электрода упругий полимер с проводящей жидкостью.
Александр Дубов
А девять процентов пережили компостирование, даже не изменившись визуально
Исследование с участием 9701 добровольца показало, что только треть пластика с лейблом «для домашнего компостирования» на самом деле превращается в компост. При этом люди плохо разбираются в видах компостируемого пластика, даже если склонны выбирать товары в такой упаковке. Результаты исследования опубликованы в журнале Frontiers in Sustainability. Биоразлагаемый и компостируемый пластик приобретает все большую популярность. Исследования описывают, что такие материалы полностью исчезают под действием живых организмов в почве или в компосте, не оставляя после себя ни микропластика, ни других вредных остатков.Компостируемый пластик предполагается использовать, например, для мелкой пищевой упаковки (саше, чайных пакетиков), одноразовой посуды и влажных салфеток. Эти предметы обычно сильно загрязнены едой и другой органикой, мыть и перерабатывать их из-за малого размера неудобно, поэтому компостирование представляется хорошим вариантом. Однако, в реальности все сложнее. Новые материалы оказались плохо совместимы с уже существующими установками для промышленного компостирования: для их разложения лучше подходят аэробные условия, когда бактерии размножаются в атмосфере кислорода. А пищевые отходы традиционно перерабатывают в анаэробных условиях — без доступа кислорода. По домашнему компостированию данных и вовсе не было, а между тем, условия в домашних компостерах сильно отличаются не только от промышленных, но и между собой. Марк Медовник, ученый и популяризатор науки, автор книги «Из чего все сделано» и его коллеги из Университетского Колледжа Лондона решили выяснить, как на самом деле справляются с компостированием пластика их сограждане. Сначала ученые попросили добровольцев заполнить анкеты, чтобы оценить их экологические привычки, желание заниматься компостированием пластика, степень информированности и наличие в домохозяйствах нужного оборудования. В этой стадии исследования приняло участие 9701 человек из всех районов Великобритании.Более 4 процентов опрошенных имели компостер дома, и более 72 процентов — на приусадебном участке. Интересно, что более масштабный опрос 2009 года показал, что компостированием занимаются только 34 процента жителей Великобритании. Авторы предположили, что в их исследовании участвовали в основном люди, которых волнуют вопросы экологии. Однако, даже такие озабоченные экологией люди плохо понимали, как правильно компостировать пластик. Почти 85 процентов опрошенных отметили, что обращают внимание на материал упаковки и склонны покупать товары, упакованные в «компостируемый» и «биоразлагаемый» пластик. В то же время более 60 процентов путали термины «для домашнего компостирования», «для промышленного компостирования» и «биоразлагаемый». (Последний термин наименее конкретный из трех, и обещает лишь то, что материал может разложиться под действием живых организмов, но не поясняет — как быстро и в каких условиях). Вторая часть исследования представляла собой параллельный эксперимент по компостированию. Медовник и его коллеги попросили добровольцев выбрать предмет из пластика с лейблом «для домашнего компостирования», поместить его в домашний компостер, а спустя время проверить, насколько он разложился. Продолжительность эксперимента участники выбирали сами, исходя из своих привычек пользования компостером. Чтобы легче идентифицировать предмет, его нужно было положить в авоську из небиоразлагаемого пластика и пометить маркером. Степень деградации предлагалось оценить по пятибалльной шкале: от 0 (никаких видимых изменений) до 4 (предмет полностью исчез). В эксперименте участвовало 1648 человек, но закончили его только 902 человека. Всего Медовник и его коллеги получили данные о компостировании 1307 предметов. Эффективность процесса оказалась невелика — только 34 процента предметов полностью превратились в компост, остальные были различимы глазом, а 9 процентов и вовсе пережили компостирование без существенных изменений. По присланным фотографиям авторы поняли, что некоторые участники все равно положили в компостеры пластик, не предназначенный для домашнего компостирования. Но, даже если исключить такие ошибки, доля полностью переработанного пластика поднимется лишь до 40 процентов. Интересно что продолжительность компостирования влияла на результат лишь незначительно. Даже после пятнадцати месяцев в компостере полностью разложилось менее 40 процентов пластика. В Уэльсе, самой теплой области Великобритании, эффективность оказалась немного выше среднего — полностью разложилось 45 процентов предметов. А вот между остальными регионами заметной разницы не было. Авторы заключили, что домашнее компостирование в нынешнем виде — очень трудно контролируемый и неэффективный процесс. Чтобы оно стало действительно полезным, нужно проделать большую работу — не только по разработке новых материалов и способов компостирования, но и по регулированию и распространению знаний.Медовник и его коллеги просили добровольцев собственноручно проводить эксперименты. Подобные исследования относятся к так называемой гражданской науке (citizen science) и приобретают все большую популярность. Например, летом мы писали о том, как добровольцы по всему миру закапывают в землю чайные пакетики, чтобы помочь ученым следить за изменениями климата. А о российских проектах гражданской науки можно узнать на платформе «Люди Науки».