生きたバッテリー。科学者たちは人間から電気を取り出す方法を発見した
ロシアの科学者が摩擦電気ナノ発電機を改良した
© 写真：王忠林研究室
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モスクワ、4月6日 – RIAノーボスチ、タチアナ・ピチュギナ。 移動中に発電する衣服、代替エネルギー用の産業用発電機など、科学は新しいタイプのエネルギー源の創出に近づいています。 RIA Novosti は、彼らの利点が何であるかを調査しました。
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科学者たちは、たとえば歩行時や呼吸時に生じる摩擦を利用することを長い間夢見てきました。しかし、人々の活動は混沌として不規則であり、従来の方法を使って通常の生活を混乱させることなく効果的に利用することは不可能です。希望は、わずか 10 年ほど前に発明された特別なタイプの装置、摩擦電気ナノ発電機 (TENG) から生まれます
TENG は低周波の機械振動を電気に変換し、時計から健康センサーに至るウェアラブル ガジェットに大きな可能性をもたらします。問題は、軽量で伸縮性があり、通気性のある素材が必要であるということです。現在ではポリマーが主に使用されています。
たとえば、中国の科学者は、布地を特定の場所で切って柔軟性を持たせる、切り紙技術の使用を提案しました。そして、米国 の物理学者は、その繊維が通常の布地に織り込まれた「スマートテキスタイル」を開発しました。
特にTENGで作られた服を着るとガジェットを充電できるようになります。現在、それらは重くて有毒な化学電流源によって電力を供給されています。体の動きを変えることは完璧な解決策のように思えます。
©写真：教授Kai Dong/ナノエネルギー・ナノシステム研究所 CAS
切り紙法により得られる、柔らかく伸縮性のある摩擦電気ナノ発電機。これらは、摩擦が発生すると電気が発生する誘電体層です。
偶然の発見
古代ギリシャ人でさえ、琥珀を羊毛でこすると、軽い物体が琥珀に引き寄せられることを知っていました。これが静電気です。
「この現象は古くから知られていました。摩擦帯電列、つまり互いにこすれる一連の物質を使用して説明されます。一方はプラスに帯電し、もう一方はマイナスに帯電します。現在、診断機能は大幅に拡張されています。私たちは摩擦帯電現象を研究するためのツールを持っています。」ナノメートルスケールでの効果です」と、A.F. Ioffe RAS Prokhor Alekseevにちなんで名付けられた物理技術研究所 (PTI) の上級科学者従業員は言います。
先駆者はジョージア工科大学の物理学者 Zhonglin Wang で、圧電効果の研究を行っていました。
「実験では、直径100ナノメートル、長さ数マイクロメートルの酸化亜鉛棒を使用しました。2006年に、これに関する記事がサイエンス誌に掲載されました。」と科学者は続けます。
ナノ材料が機械的作用を受けると、圧電効果に加えて、あまり研究されていない摩擦電気効果が発生することがよくあります。そして王忠林は彼に乗り換えた。
ほとんどの実験は、たとえばグラフェン原子の厚さの単層を使用してナノスケールで実行されます。したがって、摩擦電気ナノ発電機という名前が付けられました。 2 つの誘電体が互いに擦れ合います。それらの間には、ミリアンペアまたはマイクロアンペアの低密度バイアス電流が発生します。ただし、数百ボルト、さらにはキロボルトの大きな電位が発生します。
「主な利点は低電流で高電圧であることです。最新のサンプルの電力は平方メートルあたり 100 ワットに達します」とアレクセーフ氏は説明します。
TENG の使用が有望な分野の 1 つは医療です。私たちは身体の健康パラメータを測定するセンサーだけでなく、生体適合性のあるデバイスについても話しています。
「このテーマに関する最初の会議の1つで、呼吸と心拍から電気を生成できる小さなポリマー四角形をマウスに埋め込んだ実験を見ました。追加の層を備えたより高度なデバイスは、エネルギーを蓄え、必要に応じて刺激することができます」心筋は体内で分解されます」と研究者は説明します。
ナノ発電機を使用して肥満を治療するというアイデアさえあります。彼らは、それらを胃の領域に埋め込み、神経に作用して満腹感を誘発することを提案しています。
© 写真：ACS エネルギーレター 2024
機械波エネルギーを変換するための液体-固体摩擦電気ナノ発電機
クリーンエネルギーの助けとして
摩擦電気ナノ発電機は化石燃料を必要としません。彼らは風、雨、そして人間の機械的な動きに取り組みます。これらはまさにクリーンなエネルギー源です。中国はすでに、波に浮かびながら発電する海上ブイの形の装置の試作を行っている。
「問題は耐摩耗性、何回のサイクルに耐えられるかということです」とアレクセーフ氏は指摘する。
もう一つの応用分野は太陽エネルギーです。誘電体層を備えた半導体を細い針でこすると、その中に電荷が形成されます。最近まで誰もこの方法で発電することを考えていませんでした。 2019年には、走査型プローブ顕微鏡を専門とする物理技術研究所の科学者が研究に参加した。
© P.A. Alekseev/Physicotechnical Institute のアーカイブからの写真。 A.F.イオッフェ
研究室で走査型プローブ顕微鏡を使用するプロコール・アレクセーエフ
「私たちはシリコンとリン化インジウムでできた半導体を使って実験しました。それに顕微鏡のプローブを通すと、電流が流れます」とアレクセーフ氏は言う。
従来の TENG とは異なり、ここでは電流密度が高く、逆に電圧が低くなります。しかし、実験の結果は矛盾していました。ロシアの科学者たちは、ロシア科学財団の支援を受けて、何が起こっているのかを解明した。
「サンプルにはレーザーが照射されます。これにより結果が歪むことが判明しました。私たちは照明をオフにして、より正確に測定する方法を学びました」とRIA Novostiの情報筋は明らかにしています。
このアプローチを使用すると、ハイブリッド デバイスを開発できます。
「接点が光電池に接続されており、光電池が風によって動くため、より多くの電気が生成されます。太陽が沈み、夕方の風が吹いても、電流はまだ流れています」とアレクセーフ氏は説明します。
