Znajdź zawartość

Po pięciu latach badań laboratorium kierowane przez Zhong Lin Wanga z Georgia Technology Institute, poinformowało o stworzeniu nanogeneratorów zdolnych do zasilania konwencjonalnych urządzeń elektronicznych. Nanogeneratory Wanga zbudowane są z materiałów piezoelektrycznych, takich jak tlenek cynku. Pod wpływem ruchu uginają się one i prostują, generując energię elektryczną. Zespół Wanga stworzył nanogeneratory zdolne do wytworzenia energii o napięciu trzech woltów i natężeniu 300 nanoamperów. To wystarczy do zasilenia niewielkich wyświetlaczy ciekłokrystalizcnych, LED-ów czy diod laserowych. Jeśli uda nam się utrzymać obecne tempo udoskonalania naszego produktu, to będziemy w stanie wbudowywać go w urządzenia medyczne, elektronikę osobistą czy urządzenia do monitorowania środowiska - mówi Wang. Pierwsze wersje nanogeneratorów z tlenku cynku zakładały hodowanie nanoprzewodów na sztywnym podłożu i dołączanie do nich metalowych elektrod. Najnowsze nanogeneratory wykorzystują polimery i są znacznie łatwiejsze w produkcji. Naukowcy z Georgia Technology Institute (Gatech) najpierw hodują nanoprzewody na substracie, a następnie odcinają je od niego i umieszczają w roztworze alkoholu. Całość podlega wysuszeniu na cienkiej metalowej elektrodzie i cienkim kawałku elastycznego polimeru. Po wysuszeniu pierwszej warstwy, jest na niej układana kolejna i jeszcze następna. Proces jest łatwo skalowalny i pozwala na produkcję wydajnych nanogeneratorów. Takie urządzenie o wymiarach 1,5x2 centymetry jest już w stanie zasilić wyświetlacz kalkulatora. Wang mówi, że w najbliższym czasie zaprezentuje nanogeneratory zdolne do zasilania urządzeń monitorujących środowisko pod kątem obecności toksycznych gazów i wysyłających ostrzeżenie. Taki system mógłby zawierać niewielkie kondensatory, gromadzące energię po to, by w miarę potrzeby wysłać silny sygnał ostrzegawczy. Grupa Wanga czyni tak szybkie postępy, że nanogeneratory zdolne do zasilania nowoczesnych odtwarzaczy MP3 czy rozruszników serca powinny powstać w ciągu 3-5 lat. Wystarczy bowiem przypomnieć, że obecne pokolenie nanogeneratorów jest 100-krotnie bardziej wydajne niż to sprzed roku. W przyszłości postęp będzie zapewne równie szybki, gdyż grupa Wanga opracowała metodę prostszej produkcji nanowłókien tworzonych na bazie cyrkonu i tytanianu ołowiu. Nanowłókna takie są trudne w produkcji, gdyż do wzrostu wymagają temperatury 650 stopni Celsjusza. Opracowana na Gatech metoda dekompozycji hydrotermalnej pozwala na obniżenie tej temperatury do 230 stopni.

Piezotroniczne tranzystory - najnowsze osiągnięcie zespołu profesora Zhong Lin Wanga z Georgia Institute of Technology - wykorzystują zjawiska piezoelektryczne do przeprowadzania operacji logicznych. Lin Wang i jego grupa wykorzystali urządzenia podobne do MEMS (systemy mikroelektromechaniczne) aby wytworzyć pole elektryczne kontrolujące pracę tranzystorów polowych. Profesor Wang twierdzi, że takie tranzystory pracują podobnie do tradycyjnych, z tą jednak różnicą, że pole elektryczne jest generowane dzięki zginaniu nanoprzewodów z tlenku cynku. W tradycyjnych FET ładunek przechowywany jest w bramce. Piezotroniczne tranzystory mogą z łatwością znaleźć zastosowanie w nanorobotach i innych urządzeniach typu MEMS. Tego typu rozwiązanie pozwala na bezpośrednie połączenie mechanicznego ruchu z elektroniką. Może stać się też punktem wyjścia do skonstruowania nowej klasy urządzeń logicznych, które będą korzystały z potencjału piezoelektrycznego w miejsce napięcia na bramce - mówi Wang. Zhong Lin Wang to jeden z czołowych światowych badaczy zjawisk piezoelektrycznych. Od wielu lat pracuje on nad nowymi zastosowaniami dla półprzewodnikowych piezoelektrycznych nanokabl. Dotychczas jednak za każdym razem musiał budować odpowiednie układy scalone od podstaw. Teraz jednak, jeśli udałoby się stworzyć standardowe piezotroniczne obwody i umieścić je na tanim podłożu, opracowywanie nowych urządzeń - od najróżniejszego rodzaju przycisków poprzez czujniki przepływu cieczy po generatory energii elektrycznej wbudowywane w ubrania - przebiegałoby znacznie szybciej niż dotychczas. Uczeni z Gatech zademonstrowali już, że piezotroniczne tranzystory są w stanie przeprowadzać operacje NOR, XOR, NAND oraz działać jak multiplekser i demultiplekser. Po raz pierwszy działanie mechaniczne zostało użyte do przeprowadzenia operacji logicznych - mówi Wang. Obecnie jego zespół pracuje nad wykorzystaniem laserów do kontrolowania przewodnictwa urządzeń piezoelektrycznych. Dzięki temu, że tlenek cynku reaguje na fotony, połączenie go z metalowymi elektrodami i poddanie działaniu światła ultrafioletowego prowadzi do pojawienia się par elektron-dziura i przesunięcia bariery Schottky'ego. To z kolei może przydać się w przyszłości do precyzyjnego kontrolowania urządzeń piezofototronicznych. Ten sam zespół próbuje też stworzyć urządzenia hybrydowe łącząc węglowe nanorurki i nanokable z tlenku cynku.

Zespół Zhong Lin Wanga z Georgia Institute of Technology (Gatech) chce wykorzystać proces oddychania do pozyskiwania energii zasilającej system wczesnego ostrzegania przed hypoglikemią. Układ piezoelektryczny składający się z kabli z tlenku cynku umieszczonych na elastycznym przyklejono do przepony szczura. Z każdym oddechem zwierzęcia urządzenie o wymiarach 2x5 milimetrów generowało prąd o natężeniu do 4 pikoamperów i napięciu 2 miliwoltów. Podobne urządzenie przyklejone do serca generowało 30 pikoamperów i 3 miliwolty. Pozyskany prąd jest niezwykle słaby, jednak Wang uważa, że wraz z rozwojem techniki uda się zwiększyć napięcie i natężenie na tyle, by możliwe było zasilanie prostych czujników wszczepianych do ciała. Urządzenia piezoelektryczne mają tę zaletę, że generują energię niezależnie od kierunku, w którym są wyginane. Można je więc umieszczać w dowolnym miejscu, w którym będzie dochodziło do odkształceń. Uczeni z NASA przyczepili np. ceramiczny piezoelektryczny generator do jednego z mięśni u królika. Największym osiągnięciem zespołu z Gatechu jest umieszczenie generatora w miejscu, które stale się porusza i uzyskanie energii z bardzo drobnych ruchów.

Naukowcy z Georgia Institute of Technology pokazali nanometrowych rozmiarów generator energii elektrycznej. Urządzenie potrafi wyprodukować energię elektryczną m.in. z fal ultradźwiękowych, wibracji mechanicznych czy korzystając z przepływu krwi. W przyszłości nanogenerator będzie mógł zasilać nanourządzenia. Nie będzie przy tym potrzebne żadne, niepraktyczne i często toksyczne, zewnętrzne źródło energii. Zhong Lin Wang, szef grupy badawczej, mówi: Nasz nanogenerator pozwala na uzyskanie energii z wielu źródeł i zasilanie nanourządzeń. Nanogenerator wykorzystuje pionowo ustawione nanoprzewody z tlenku cynku, które poruszają się wewnątrz elektrody. Każdy z takich nanoprzewodów jest półprzewodnikiem i gdy jest zginany pod wpływem ruchu czy fal dźwiękowych, produkuje ładunki elektryczne. Elektroda, do której podłączone są nanoprzewody, działa jak bariera Schottkyego, która zbiera ładunki wytworzone przez setki czy tysiące przewodów. Wang uważa, że w niedługim czasie uda mu się na tyle ulepszyć nanogenerator, że będzie on produkował 4 waty na centymetr sześcienny pojemności. To dużo więcej, niż potrzeba do zasilania wielu urządzeń biomedycznych czy służących wojsku. W międzyczasie uczeni chcą udoskonalić produkcję cynkowych nanoprzewodów tak, by w nanogeneratorze zmieścić ich miliony czy nawet miliardy. Takie nanogeneratory mogłyby zasilać znacznie większe urządzenia, a generator mógłby zostać umieszczony np. w bucie i dostarczać prądu odtwarzaczowi MP3.