Oxid zinočnatý (ZnO) je asi najznámejší vo forme žiarivo bieleho maliarskeho práškového pigmentu – zinkovej beloby. Vďaka schopnosti absorbovať UVA aj UVB žiarenie sa používa aj ako zložka ochranného faktoru opaľovacích krémov. Kryštály ZnO sú piezoelektrické (mechanickým tlakom v nich vzniká elektrický potenciál) a termochromické (pri nahrievaní menia farbu, v prípade ZnO na žltú).
Foto: Gary Meek, Georgia Tech
A práve na základe piezoelektrických vlastností oxidu zinočnatého vedci pod vedením profesora Zhong Lin Wanga z Technického ústavu v americkom štáte Georgia vytvorili nový typ miniatúrneho zdroja slabého striedavého elektrického napätia. Budiacim mechanizmom je cyklické napínanie a uvoľňovanie drobných, tyčinkám podobných kryštálov oxidu zinočnatého, pripojených na tenké vodiče a kvôli ochrane pred vonkajším prostredím uzavretých v pružnom plastickom materiáli. Ide o akúsi pumpu elektrického náboja, ktorá mechanickú energiu premieňa na energiu elektrickú. Vzniká tak rozmerovo veľmi malý generátor striedavého napätia až do 45 milivoltov. Jeho účinnosť je asi 7 percent, to znamená, že len 7 stotín vynaloženej mechanickej energie premení na energiu elektrickú. Napriek tomu ide o nádejný smer vývoja napájacích zdrojov pre rôzne oblasti – napríklad pre jemnú elektrotechniku, pre rôzne miniatúrne monitorovacie zariadenia a snímače v medicíne, alebo v oblasti životného prostredia.
Na konte Wangovho výskumného tímu je už niekoľko typov mikrovláknových nanogenerátorov, ktoré využívajú piezoelektrické vlastnosti kryštálov ZnO. Ich funkcia však doposiaľ vyžadovala priamy kontakt snímacích elektród s povrchom aktívnej vrstvy. Problémom je čiastočná rozpustnosť oxidu zinočnatého vo vode, čo znižovalo odolnosť týchto zariadení voči vlhku a komplikovalo ich konštrukciu. "Naša nová pružná pumpa elektrického náboja rieši niekoľko kľúčových otázok, vyplývajúcich z konštrukcie našich predchádzajúcich generátorov," upresňuje Wang. "Nový dizajn odstraňuje problém s prenikaním vlhkosti a opotrebovaním štruktúr. Z praktického hľadiska je to oveľa výhodnejšie."
Foto: Columbia University, New York
Nový miniatúrny piezoelektrický generátor napätia je založený na tri až päť tisícin milimetra tenkých vláknach z oxidu zinočnatého s dĺžkou 0,2 až 0,3 milimetrov.
Vytvárajú sa metódou vyzrážania z plynnej fázy (physical vapor deposition method), pri ktorej sa na vhodne zvolenom povrchu usadzuje kondenzát z pár príslušného materiálu. V tomto prípade sú zdrojom pary ZnO pri teplote približne 600 stupňov Celzia, z ktorých kondenzujú tenké, tyčinkám podobné kryštály. Pomocou optického mikroskopu sa tieto jemné vlákna ukladajú na polyimidovú fóliu. Strieborný povlak na ich koncoch slúži ako elektróda pre pripojenie k vonkajšiemu obvodu. Povrch je zaliaty opäť do polyimidu, ktorý zariadenie chráni pred vlhkosťou a deštrukciou.
Vytváranú elektrickú energiu vedci merali tak, že na konce tohto minigenerátora pripojili mechanizmus, ktorý ho periodicky ohýbal, čím vytváral v kryštáloch tlak vyvolávajúci piezoelektrický potenciál. To vyvolalo tok elektrónov smerom do pripojeného vonkajšieho elektrického obvodu s meracími prvkami. Pri uvoľnení napätia proces prebiehal opačným smerom. Tak pri periodickom striedaní napätia a relaxu vznikal odpovedajúci elektrický prúd, meniaci smer s frekvenciou mechanických zmien. Wang sa domnieva, že túto prúdovú frekvenciu obmedzujú iba vlastnosti ochranného polyimidového substrátu.
Výsledky vedci porovnávali s podobnými experimentami, no na báze uhlíkových a kevlarových vláken (kevlar - ľahké pevné syntetické para-aramidové vlákno) pokrytých vrstvou polykryštalického kysličníka zinočnatého, aby overili, či nameraný elektrický prúd je naozaj produkovaný novým zariadením a nie je len nejakým externým artefaktom merania. Pri týchto porovnávacích pokusoch však nenamerali v elektrickom obvode žiadne zmeny. Osem rôznych testov vylúčilo prípadný omyl.
Takýto generátor je síce miniatúrny, no stále nejde o nanotechnológie, v ktorých štruktúry sú minimálne 100 krát menšie. S väčšími vláknami sa však pracuje lepšie, väčšie rozmery zjednodušujú výrobu zariadenia a laboratórne testy. No profesor Wang pripomína, že tieto prvky môžu byť zmenšené až na nanometrovú úroveň. Aj na takýchto rozmeroch budú vraj platiť rovnaké fyzikálne princípy.
Jednotlivé drobné piezoelektrické generátory sa môžu sériovo zapájať do vrstiev a tieto zasa do viacvrstevných modulov, čím sa úmerne zvyšuje aj vytvorené elektrické napätie.
Využitie týchto piezoelektrických modulov by sa mohlo odvíjať od existujúcich zdrojov mechanického tlaku a pnutia a mohli by sa stať súčasťami odevov, topánok, dlaždíc, stavebných prvkov, či dokonca by mohli byť implantované do tela ako nezávislý napájací zdroj pre rôzne stimulátory, či senzory. Budúcnosť zväčša prináša nečakané technické riešenia. V predstave profesora Wanga dominuje celá nová generácia mikrometro- a nanometro- rozmerových bezdrôtových, od existujúcich zdrojov napätí závislých generátorov, ktoré by boli zdrojom energie pre rôzne senzorické systémy a zariadenia na zber a prenos dát. “Samonapájacie nanotechnológie môžu predstavovať základ nového priemyselného odvetvia”, tvrdí. “Je to jediná cesta tvorby nezávislých systémov.“
Zdroj: Georgia Institute of Technology, Nature Nanotechnology
Diskuze:
