Команда інженерів представила трибоелектричну пряжу та вишила з неї нашивки на одяг для збирання енергії під час руху. В основі лежить трибоелектричний ефект, який дозволяє отримувати електрику при терті — зручний підхід аби живити прості електроприлади, як-от натільну електроніку. І вченим вдалося спростити його втілення до вишивки спеціальною пряжею. Так, помаху руки виявилося достатньо, щоб підсвітити масив світлодіодів, а сама тканина добре переживає прання, пишуть вчені у статті, опублікованій у журналі Nano Energy.
North Carolina State University
Як змусити пряжу щось живити?
Звичайні батарейки вже давно не задовольняють ані енергетичних потреб, враховуючи велику кількість переносної електроніки, ані екологічних вимог, враховуючи їхню токсичність. І поступово на роль автономного джерела живлення принаймні для невеликих натільних пристроїв (годинники, крокоміри, пульсометри тощо) інженери стали обирати трибоелектрогенератори — пристрої, що завдяки трибоелектричному ефекту здатні перетворювати механічну енергію (від тертя матеріалів чи кроків, наприклад) на електричний заряд.
Трибоелектрогенератори або TENG можна виготовляти і з екологічних матеріалів, адже єдиною вимогою є вміння матеріалів добре притягувати і віддавати електрони, щоб при контакті вони утворювали електричний струм. І у своїй роботі дослідники зі США та Китаю знайшли спосіб виготовляти трибоелектрогенератори з текстилю, причому у придатний для машинної вишивки спосіб.
Зразок вишивки. Yu Chen et al. / Nano Energy, 2022
Як вишивати електронитками?
Свою пряжу вчені виготовили з покритої поліуретаном мідної проволоки, яка мала вишиватися на основі зі звичайної тканини, а для забезпечення трибоелекричного ефекту нижній шар виготовляли з ПТФЕ (тефлон). Матеріалознавці і раніше виготовляли трибоелектричні нитки, наприклад, обмотуючи звичайний текстиль підхожим матеріалом. Однак такі підходи зазвичай погану сумісність з існуючим текстильним обладнанням і процесами, що ускладнює масштабне виробництво.
Так, використовуючи традиційні бавовняні нитки як основу для нанесення малюнку проволокою, але ховаючи шар ПТФЕ під ним, вчені можуть не лише вберегти зовнішній вигляд тканини, а і досягти високої ефективності: вишивка розміром 5 на 5 квадратних сантиметрів може генерувати більше 300 вольт напруги та струм короткого замикання у 8 мікроампер.
Приклади вишивки. Yu Chen et al. / Nano Energy, 2022
Що потрібно вишивати?
Дослідники пропонують носити їхню вишивку на місцях, де відбувається найбільше тертя під час руху: долоні, під рукою, на лікті, на коліні та під ним, тощо. Як з'ясували в своїх експериментах автори роботи, помаху патчем 5 на 5 сантиметрів вистачить, аби запалити понад пів сотні світлодіодів, з'єднаних послідовно. А якщо помістити таку тканину на устілку у взутті, то її можна використати як крокомір, адже вихідний електричний сигнал чутливий до частоти і сили, що робить його придатним для вимірювання руху.
Та при маханні нашивкою можуть засвітитися світлодіоди. Yu Chen et al. / Nano Energy, 2022
Також за своєю технологією вчені виготовили тканинну клавіатуру, яка керувала калькулятором на комп'ютері. Натискання пальцем було достатньо для створення електричного сигналу, що б перетворився на цифровий для зчитування програмою. За 10 тисяч циклів використання своєї вишивки вчені не помітили значної зміни її вихідної електричної потужності.
А так працює калькулятор. Yu Chen et al. / Nano Energy, 2022
На жаль, трибоелектричного ефекту навряд вистачить на щось більше за годинник, однак отримати трохи енергії від простих побутових дій все одно приємно. Тож трибоелектрогенератори інженери вже використовували в рюкзаках, щоб поки вони пристрибують, ви могли щось зарядити. А також у підлозі, щоб генерувати струм при ходьбі. І навіть у подушці, яка зможе зарядитися поки ви крутите головою уві сні, та навіть постежити за якістю сну.