Редакция сайта ТАСС
МОСКВА, 17 декабря. /ТАСС/. Ученые Южного федерального университета (ЮФУ) подготовили и испытали первый макет наногенератора, который преобразует энергию вибраций, шума и движений тела в электричество. Работающий прототип размером 5 на 5 мм - шаг к созданию автономных источников питания, сообщили в пресс-службе ЮФУ.
"Наш макет представляет собой твердую подложку кремния размером 5х5 мм с нанесенным нижним электродом, на которой выращен массив вертикально ориентированных углеродных нанотрубок. Над вершинами нанотрубок с использованием диэлектрических упоров закрепляется верхний профилированный электрод", - рассказала доктор физико-математических наук, профессор дивизиона "Электроника" Передовой инженерной школы ЮФУ Марина Ильина, чьи слова приводит пресс-служба.
Разработка относится к пьезоэлектрическим наногенераторам: внешние вибрации вызывают деформацию легированных азотом углеродных нанотрубок, что позволяет детектировать выходной сигнал с электродов на измерительном стенде. В университете уточнили, что такие решения рассматриваются как вариант для питания носимой электроники и автономных устройств, в том числе при использовании энергии окружающей среды - городского шума, вибраций и движений тела человека.
"Стоит понимать, что одна нанотрубка диаметром до 100 нм и высотой примерно 2-5 микрометров накапливает ограниченное количество зарядов. Если мы помещаем массив трубок в вибрационный шум, допустим, на двое суток, то потом эти же двое суток массив без дополнительного внешнего воздействия генерирует ток величиной десятки наноампер при нагрузке мегаомы
Как пояснили разработчики, одной из ключевых задач остается создание эффективного верхнего электрода: углеродные нанотрубки растут перпендикулярно подложке и образуют "лес", поэтому их вершины не закреплены. Контакт верхнего электрода должен обеспечивать взаимодействие с вершинами и одновременно сохранять их подвижность, чтобы не снижалась чувствительность к внешним вибрациям и деформациям; после тестовых измерений изготовленная структура корпусируется.
"Перспективы разработки очень широкие: от биомедицинских применений до автономных систем, в частности, питания нейроморфных плат. Наша технология позволяет повысить энергоэффективность и значительно уменьшить габариты и вес источников питания. Те мощности, которые будут потреблять платы нейроморфной электроники, сопоставимы с теми мощностями наногенераторов, которые сейчас наблюдаются. В перспективе возможно создание такой системы, которая будет автономно питаться без дополнительного источника питания в виде литий-ионной батареи или каких-то конденсаторов, загрязняющих окружающую среду", - заключила Ильина.
История работы и команда
По словам Ильиной, пьезоэлектрические свойства нанотрубок были выявлены случайно при исследовании электрических параметров отдельных углеродных нанотрубок: тогда обнаружили гистерезис вольтамперной характеристики, связанный с формированием внутреннего электрического поля в процессе измерения. Первые исследования, как уточнила она, провели в 2011 году, первая статья по гистерезису и аномальному поведению электрических параметров вышла в 2012 году, а спустя шесть лет предположения были доказаны научному сообществу.
Над разработкой работает коллектив сотрудников и студентов ЮФУ. Молодые специалисты, отметили в университете, неоднократно побеждали в конкурсах Российского научного фонда, получали стипендии правительства РФ и президента, а также гранты на обучение; дополнительный импульс исследованиям дал запуск федерального проекта "Передовые инженерные школы", позволивший открыть в ЮФУ в 2024 году "умную" фабрику микроэлектроники и фотоники.
Комментарии