Создан наногенератор нового типа, способный вырабатывать электроэнергию из энергии сокращения мышц. Предполагается, что с помощью нового генератора можно будет решить проблему электропитания в биологических имплантируемых устройствах, наносенсорах и портативной электронике.

Проблема создания автономных микроскопических источников энергии для имплантируемых биологических устройств пока еще не решена. В настоящее время в качестве возможного решения предлагаются в основном химические реакторы, использующие для производства электроэнергии глюкозу, находящуюся в крови пациента.

Однако последние достижения в области наносистем и гетероструктур позволили создать наногенератор, который, возможно, вытеснит источники энергии других типов, используемые в имплантируемых микроустройствах, наносенсорах и портативной электронике. Можно предположить, что в недалеком будущем mp3-плеер, мобильный телефон или часы будут использовать при работе энергию человеческого тела. По принципу действия новый источник энергии близок к пьезоэлектрикам. Это матрица стержней, которые при изгибании производят электроэнергию.

Наногенератор разработан группой ученых под руководством профессора Жонг Лин Ванга (Zhong Lin Wang) из технологического института Джорджии, сообщает EurekAlert. Технологический процесс создания наногенератора насчитывал несколько этапов. Сначала путем осаждения пара сложного состава на подложке из сапфира, предварительно покрытой наночастицами золота в качестве катализатора, профессор Ванг и его коллеги вырастили матрицу из вертикально стоящих нанопроводков из оксида цинка, который одновременно является и пьезоэлектриком, и полупроводником. Размер стержней варьировался от 200 до 500 нм в длину и от 20 до 40 нм в диаметре. Шаг нанопроводов составлял приблизительно 100 нм. Плёнка оксида цинка также возникала на поверхности подложки, создавая электрическое соединение для всех нанопроводников.

Затем ученые попытались воздействовать механически на «лес» из нанопроводов. Было замечено, что устройство вырабатывает напряжение при деформации образца. По замыслу авторов проекта, подобные наногенераторы будут производить ток по мере того, как внешние возмущения будут сгибать и затем отпускать нанопровода. Используя наконечник атомного силового микроскопа для сгибания этих столбиков, ученые обнаружили, что нанопровода действительно производят напряжение как пьезоэлектрики.

Если решётку из таких проводков изготовить гораздо меньшего размера, чем прототип, — порядка нескольких микронов, можно будет встраивать наногенераторы в разнообразные сверхминиатюрные устройства. Это и датчики в теле пациента, и импланты, и хранители сердечного ритма, и, возможно, другая электроника, которая появится благодаря возможности использовать энергию человеческого тела.

«Наши тела способны преобразовывать химическую энергию глюкозы в механическую энергию мускулов. Если ранее появлялись имплантируемые глюкозовые реакторы, то теперь можно использовать саму энергию мышц, — поясняет проф. Ванг. — Эти наногенераторы могут взять эту механическую энергию и преобразовать её в электрическую для того, чтобы приводить в действие устройства, имплантированные в тело человека. Применение наногенераторов нового типа открывает огромные возможности для вживляемых медицинских устройств».

Новые наногенераторы будут использоваться и при разработке нанороботов, нанофабрик и просто сложных наноструктур. «Мы можем теперь создавать сложные наносистемы, не заботясь о том, как их обеспечить энергией. Я считаю, что это большой шаг вперед», — комментирует проф. Ванг.

Процесс разряжения/заряда наногенератора происходит в то время, пока зонд атомно-силового микроскопа (АСМ) проходит вдоль поверхности «леса» полупроводников. Прибор держит заряд благодаря барьеру Шоттки, сформированному между наногенератором и АСМ-зондом.

По изучению изменения цикла «заряд/разряд» ученые смогли определить электромеханические характеристики наногенератора. В частности, удалось выяснить, как изменяется генерируемый ток при изменении механической нагрузки на прибор. Было установлено, что наногенератор реагирует даже на акустические колебания и на ультразвуковые, а также способен выдерживать изгибания до 50 градусов.

Ученые планируют теперь исследовать режимы работы наногенератора при сильной вибрации и получить исчерпывающие результаты о работе устройства, прежде чем создавать первую рабочую нанобатарейку на его основе, пишет cnews.ru