Американські вчені показали можливість використання нанорозмірних п’єзоелектриків для збору енергії коливань різної природи (звукові хвилі, вібрації при русі) і наступного перетворення її в електричну, причому ефективність перетворення зростає в 2-3 рази. Це відкриття дозволить виробляти самозарядні мобільні пристрої, що працюють на «зеленій» електроенергії.

Уявіть собі мобільний телефон, що не вимагає підзарядки. Таке чудо техніки буде працювати від енергії звукових хвиль, що збираються п'єзоелектричними кристалами в тисячу разів менших за товщину людської волосини. Розробка подібних пристроїв стала реальністю завдяки теоретичній роботі вчених із Х’юстонського та Техаського університетів, опублікованій в престижному журналі Physical Review B. Виявляється, на нанорівні властивості п’єзоелектриків можуть значно змінюватися, набуваючи нових цікавих особливостей. Зокрема, в умовах наносвіту істотно зростає ефективність вироблення електричного струму деякими типами п’єзоелектриків: при певних нанометрових товщинах п'єзоелектричні матеріали дають приріст електропродуктивності в 2–3 рази в порівнянні з макро- і мікроскопічними п’єзогенераторами.

Автори статті думають, що їхнє відкриття знайде застосування в мобільних пристроях із низьким електроспоживанням (мобільних телефонах, кишенькових комп'ютерах, ноутбуках) і в цілому ряді інших пристроїв — не тільки цивільного, але й військового призначення. Зокрема, подібною технологією зацікавилося американське оборонне агентство DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency). На основі таких п'єзоелектричних пристроїв воно планує створити самозарядні детектори вибухівки, що працюють на енергії, отриманої з вібрацій при русі солдата. Для цього досить вмонтувати п'єзоелектричний пристрій у каблук черевика, і можна забути про недовговічні батареї живлення.

Прямий п'єзоелектричний ефект. Ліворуч — механічна напруга відсутня, електричний заряд на поверхнях не виникає. В центрі — розтяг кристала, виникає заряд. Праворуч — стиск кристалу, змінюється полярність заряду. Мал. з сайту www.bostonpiezooptics.com

Отже, ключовим елементом нової технології є п’єзоелектрики — речовини, здатні генерувати електроенергію під дією механічної напруги або деформації (прямий п'єзоелектричний ефект) і, навпаки, змінювати свої фізичні розміри (розширюються або стискуються) при пропусканні крізь них електричного струму (зворотний ефект). Найчастіше це кристали кварцу або кераміка.

П’єзоелектрики були відкриті ще в другій половині XIX століття, але знайшли своє застосування тільки в роки Першої світової війни, коли на їхній основі були розроблені сонари (від англ. so[und] na[vigation] and r[anging] — звукова навігація й визначення дальності) для виявлення підводних човнів. Успішна реалізація цього проекту привела до нових застосувань п’єзоелектриків. Так були створені головки для патефонів — перших звуковідтворювальних пристроїв, п'єзоелектричні запальнички, кварцові годинники та мікрофони.

Існують і не зовсім звичайні застосування п’єзоелектриків. Наприклад, у Європі є кілька нічних клубів, у танцпол яких вбудовані п'єзоелектричні генератори, що перетворюють танцювальні вібрації в електроенергію, якої достатньо для живлення освітлювальних ламп, тому що кожен танцюрист генерує 5–10 Вт потужності. Подібна технологія застосовується й в одному із фітнес-залів Гонконгу, де часто проходять тренування по шейпінгу, боксу та бодібілдингу. Вже створено декілька так званих «эко-клубів», що забезпечують себе електроенергією на 60% за рахунок п’єзоелектриків, вмонтованих у підлогу та в барну стійку. Ще далі пішли в Ізраїлі. У січні 2009 року там стартує пробна стометрова ділянка дороги з вбудованими під асфальт п’єзокристалами. Ізраїльські інженери з фірми Innowattech планують отримувати до 40 кіловат потужності при чотирьохсмуговому русі.

Слід зазначити, що п'єзоелектричний ефект, спочатку виявлений у природних матеріалах, таких як кварц, турмалін, Сегнетова сіль і т.д., досить слабкий. Із цієї причини були синтезовані полікристалічні сегнетоелектричні керамічні матеріали із покращеними властивостями, такі як титанат барію BaTi₃ та цирконат-титанат свинцю PZT (абревіатура формули Pb[Zr_xTi_1-x]O₃, 0 < x < 1).

Кристалічні ґратки PZT: (1) до та (2) після встановлення полярності. Мал. з сайту www.physikinstrumente.com

В PZT-Кристалі негативні й позитивні електричні заряди розділені, але при цьому вони розподілені в об'ємі кристала симетрично, що робить його електрично нейтральним. Щоб подібна кераміка стала п’єзоелектриком, необхідно «відрегулювати» полярність зарядів у кристалічних ґратках. Для цього крізь кераміку, що нагрівається, пропускають сильне електричне поле (> 2000 В/мм), що призводить до порушення симетрії в кристалі.

У п’єзокристалах заряди різних знаків формують електричний диполь. Кілька прилеглих диполів формують так звані домени Вейса (Weiss domains). До встановлення полярності домени орієнтовані довільним чином. Під дією електричного поля й високої температури кристал розширюється в напрямку поля й стискується по перпендикулярній осі. Це приводить до вишиковування диполів вздовж прикладеного електричного поля.

Після вимикання поля та охолодження п’єзокераміка має залишкову поляризацію. Якщо до кристалу з відрегульованою полярністю прикласти електричне поле, домени Вейса починають вирівнюватися уздовж поля, причому ступінь вирівнювання залежить від прикладеної електричної напруги. В результаті відбувається зміна розмірів п'єзоелектричного матеріалу.

При механічному тиску симетрія розподілу зарядів порушується, приводячи до різниці потенціалів на поверхнях кристалу. Наприклад, кварц об'ємом 1 см3 при прикладенні сили 2 кН може виробити напругу до 12500 В.

Тепер повернемося до роботи американських вчених. Використовуючи динамічну модель, дослідники показали, що у вузькому діапазоні геометричних розмірів п'єзоелектричні наноструктури можуть перетворювати енергію з дуже великою ефективністю. При цьому вони враховували не тільки п'єзоелектричний, але й флексоелектричний ефект (поява електричної напруги при згинанні та крутінні п’єзоелектрика, що вносить додатковий вклад у результуючу ефективність п'єзоелектричних пристроїв.

Найбільш сильно флексоелектричний ефект проявляє себе на нанорівні: у цьому випадку він у три рази перевищує по ефективності п'єзоелектричний ефект. Це стосується насамперед PZT-Матеріалів, виконаним у вигляді наноконсолей (балок нанометрових розмірів з однією точкою опори) з товщиною в межах 20–23 нм. За таких умов наноконсоль (nanocantilever) дуже гнучка та чутлива до зовнішнього впливу. Будь-яке незначне коливання повітря або вібрації, що передаються через точку опори, приводять консоль в рух, в результаті чого в ній виникають як п’єзо-, так і флексоелектрика. Розрахунки показали, що флексоелектричний ефект у декілька разів збільшує ефективність збору енергії наноконсоллю. У результаті ефективність перетворення енергії збільшується на 100% у порівнянні зі звичайною п’єзокерамікою, а при певних формах консолей збільшення може навіть досягати 200%.

Електричні диполі в доменах Вейса. (1) неполяризована сегнетоелектрична кераміка, (2) в процесі та (3) після встановлення полярності (п'єзоелектрична кераміка). Мал. з сайту www.physikinstrumente.com

Автори підкреслюють також важливість геометричних розмірів змодельованих п'єзоелектричних пристроїв, тому що матеріали з товщиною у кілька разів меншою або більшою 20-23 нм втрачають здатність до ефективної генерації енергії, отриманої із зовнішнього середовища. При цьому критичним параметром наноконсолі є тільки його товщина. Довжина та ширина підбираються виходячи із властивостей використовуваного п'єзоелектричного матеріалу. Так що, відзначають автори, експериментаторам буде ще над чим попрацювати.

Для створення працюючого пристрою для збору енергії достатньо в ланцюг із п'єзоелектричною наноконсоллю помістити акумуляторну батарею. І тоді безліч таких збирачів енергії можна буде вмонтовувати в самозарядний мобільний телефон, що ніколи не відключиться!

За матеріалами: elementy.ru

Джерело: M. S. Majdoub, P. Sharma, T. Çağin. Dramatic enhancement in energy harvesting for a narrow range of dimensions in piezoelectric nanostructures (PDF, 200 Кб) // Physical Review B, 78, 121407 (2008).