Новини науки

Команда дослідників з Коледжу дизайну та інженерії Національного університету Сінгапуру (NUS) розробила надтонкий пристрій для виробництва електроенергії з використанням вологи з повітря (MEG). Він виготовляється із тонкого шару тканини товщиною близько 0,3 мм, морської солі, карбонових чорнил та спеціального водопоглинаючого гелю. Цей технологічний прорив був опублікований у друкованій версії наукового журналу Advanced Materials 26 травня 2022 року. Використовуючи морську сіль як екологічно чистий поглинач вологи, ця «батарея», що схожа на тканину, забезпечує більш високу електричну потужність, ніж звичайна батарея AA. Її потенційно можна використовувати для живлення повсякденної електроніки.

Концепція пристроїв MEG побудована на здатності різних матеріалів виробляти електроенергію за рахунок взаємодії з вологою в повітрі. Ця область викликає інтерес через можливість використовувати її для живлення найрізноманітніших пристроїв, включаючи персональну електроніку, електронні нашкірні датчики та пристрої зберігання інформації.

Основними проблемами сучасних MEG-технологій є водонасичення пристрою під впливом вологості навколишнього середовища та незадовільні електричні характеристики. Тобто електрична енергія, вироблена подібними пристроями, не є стійкою, а також її недостатньо для живлення пристроїв.

Щоб подолати ці проблеми, дослідницька група під керівництвом доцента Тан Сві Чінга з Департаменту матеріалознавства та інженерії CDE розробила новий MEG-пристрій, що містить дві області з різними властивостями. Пристрій MEG від команди NUS складається з тонкого шару тканини, покритого вуглецевими наночастинками. У своєму дослідженні команда використовувала комерційно доступну тканину з деревної маси та поліестеру.

«Волога» область тканини покрита гігроскопічним іонним гідрогелем. Завдяки використанню морської солі спеціальний водопоглинаючий гель може поглинати вологи у шість разів більше своєї початкової ваги. Саме він відповідає за збирання вологи з повітря. «Суха» область тканини навпроти не містить гігроскопічного шару. Це необхідно для того, поглинання води було обмежене «вологою» областю.

Енергія генерується, коли іони морської солі відокремлюються при поглинанні води у «вологій» області. Вільні іони з позитивним зарядом (катіони) поглинаються наночастинками вуглецю, які мають негативний заряд. Це викликає зміни на поверхні тканини, створюючи на ній електричне поле. Ці зміни також дають тканині можливість накопичувати енергію для подальшого використання.

Використовуючи на тканині поєднання "вологих" та "сухих" областей, можна забезпечити високий вміст вологи у перших та низьку вологість у других. Це дозволяє підтримувати електричний вихід, навіть коли «волога» область насичена водою. Після того, як «батарея» була залишена у відкритому вологому середовищі протягом 30 днів, волога все ще зберігалася у «вологій» області, що демонструє ефективність пристрою в підтримці електричної потужності.

Розробка команди з Сінгапуру також продемонструвала високу гнучкість і змогла витримати скручування, перекочування та згинання. Дослідники продемонстрували гнучкість «акумулятору», склавши з нього журавлика оригамі, що не вплинуло на його продуктивність. MEG-пристрій вже може бути застосованим завдяки легкості масштабування та комерційно доступній сировині.

"Після поглинання води один шматок енергогенеруючої тканини розміром 1,5×2 см може забезпечувати до 0,7 В протягом понад 150 годин у постійному середовищі", — сказав доктор Чжан Яосін з дослідницької групи.

Команда NUS також успішно продемонструвала масштабованість свого нового пристрою енергії для різних застосувань. Команда NUS з’єднала три шматки такої «тканини» і помістила їх у надрукований на 3D-принтері футляр розміром зі стандартну батарейку типу АА. Напруга зібраного пристрою склала 1,96 В.

Масштабованість винаходу NUS, зручність отримання комерційно доступної сировини, а також низька вартість виготовлення роблять цей винахід придатним для масового виробництва. Дослідники вже подали заявку на патент та планують вивчити потенційні стратегії комерціалізації для реального застосування.