Jak pohánět nanorobota

Zvětšit obrázek

"Pole" nanodrátů z oxidu zinečnatého (Credit: Zhong Lin Wang)

Jak získat spolehlivý zdroj elektrické energie pro zařízení velká desítky až stovky nanometrů? Klasické akumulátory jsou zcela nevhodné, protože je nelze takto malé vyrobit a jsou složeny z převážně toxických látek, což vylučuje snadné použití v živých organizmech včetně lidského těla. Solární články či jejich obdoba nutně vyžaduje přímou viditelnost mezi zdrojem a příjemcem energie, a to silně omezilo rozsah vhodných aplikací. Zdroje podobné palivovým článkům také nelze zmenšit na rozměry nano až mikrometrů. Vědci tedy pátrali dále.

Všimněte si, kolik je kolem nás nevyužívané energie. Při každém našem pohybu vejde vniveč malé, ale nezanedbatelné množství energie. Například "samonatahovací" mechanické hodinky přeměňují a akumulují nevyužitou energii pohybů ruky. Také jakýkoliv obtěžující zvuk či vibrace jsou nositeli mechanické energie, kterou by bylo škoda nevyužít. Výzkumníkům se podařilo nalézt způsob, kterým ji efektivně přemění na elektřinu.

Od pohybu k elektřině

Zvětšit obrázek

Průběh přejezdu hrotu přes nanodrát (Credit: Zhong Lin Wang)

Vědci sestrojili nanogenerátor, který využívá piezoelektrický jev k přeměně mechanické energie na elektrickou. Když se nanodrát z oxidu zinečnatého elasticky zdeformuje (ohne), vznikne na jeho konci piezoelektrický náboj. Spojením mnoha nanodrátů a jejich současným ohýbáním vznikne dostatek elektrické energie k pohonu strojů miniaturních rozměrů. Praktická realizace proběhla tak, že výzkumníci rozprášili na safírový podklad nanočástice zlata, které slouží jako katalyzátor pro růst nanodrátků oxidu zinečnatého. Na místě každé částečky zlata, vyrostla jedna tyčinka. Přes toto "pole" přejíždí sběrač náboje podobně, jako byste přejeli prstem po štětinách kartáče.

K detailnějšímu zkoumání vlastností tyčinek vědci použili hrot mikroskopu atomárních sil (AFM). Ohýbali jím jednotlivé tyčinky a zjišťovali, kdy a na jakých materiálech se elektrický náboj uvolňuje. Nejdříve hrot klouže po nanodrátku, který se díky kombinaci polovodivých a piezoelektrických vlastností nabíjí. Schottkyho bariéra (Obdoba P-N přechodu v klasických diodách, zde však mezi kovem a polovodičem.) brání přestupu náboje mezi nanodrátem a hrotem mikroskopu. Když hrot sklouzne z drátku, uvolní se mechanické napětí a zároveň s tím i elektrický náboj.Tyčinka poté ještě mnohokrát kmitá, ale další náboj se již neuvolňuje. V mnoha experimentech ověřili, že jev je skutečně způsoben piezoelektrickými vlastnostmi oxidu zinečnatého. U nepiezoelektrických materiálů k uvolnění náboje nedocházelo.

Zdroj energie pro nanoroboty v lidském těle

Zvětšit obrázek

Průběh elektrického napětí při přejezdu hrotu přes pole nanodrátů. (Credit: Zhong Lin Wang)

Jako nejpřitažlivější se jeví použití nanogenerátoru z oxidu zinečnatého v lidském těle díky jeho netoxicitě. Pro případné nanoroboty "opraváře" nebo i implantáty vyžadující elektrickou energii by bylo snadné získat energii z pohybu celého lidského těla či pohybu tělních tekutin. Vibrace a další otřesy by pohybovaly sběračem a generovaly elektrický proud. Bylo by nutné zajistit i dočasné skladování náboje; například malým kondenzátorem, protože napětí naměřené na nanogenerátoru je na poměry piezoelektrických jevů malé - pohybuje se v řádu mV. Vědci očekávají, že se jejich objev dočká uplatnění i v jiných oblastech než nanotechnologiích. Nanodrátky mohou vyrůst i na pružných materiálech. Elektronika by se sama dobíjela pohybem podobně jako hodinky. Vojáci v poli by měli oblečení s nanogenerátory a vyráběli by si elektřinu při chůzi. Možné je také využití zvukových či ultrazvukových vln. Na protihlukových bariérách u dálnic by jistě šlo vygenerovat slušné množství poměrně ekologické energie. Každopádně se jedná o objev zajímavého a slibně vypadajícího principu, od kterého je k praktické realizaci ještě daleko.

Další informace
Nanogenerators: Researchers Convert Mechanical Energy to Electrical Energy for Self-Powered Nanoscale Devices (13. 4. 2006) - Tisková zpráva o nanogenerátorech
Mikroskopie atomárních sil - Vysvětlení základů tohoto druhu mikroskopie na encyklopedii Wikipedie
Piezoelektrický jev - Popis základů jevu na encyklopedii Wikipedie
Schottky barrier - Popis elektrického přechodu mezi kovem a polovodičem na encyklopedii Wikipedia.

Autor píše weblog o vědě a technice Techblog.