Tričko, které vyrábí elektřinu

Vědci zabývající se nanotechnologiemi vyvíjejí „energetické tričko", které dokáže vyrobit elektřinu pro malá elektronická zařízení. Tento vynález využijí vojáci na bitevním poli, horolezci nebo jednoduše všichni, kdo jsou v pohybu. Časopis Nature v únoru detailně popsal, jak dvojice textilních vláken pokrytých nanonitkami oxidu zinečnatého mohou generovat elektrický proud za použití piezoelektrického efektu. Pokud by se spojily proudy z mnoha takových párů vláken zabudovaných například do trička nebo bundy, mohl by samotný pohyb lidského těla napájet široké spektrum malých přenosných elektronických zařízení. Stejná vlákna mohou být také zapletena do závěsů, stanů nebo jiných textilních výrobků všude tam, kde dá využít energie z větru, zvukových vibrací nebo dalších mechanických druhů energie.

„Tento nanogenerátor by se mohl stát jednoduchou a ekonomickou cestou, jak získat energii z fyzického pohybu," říká honí Lin Wang, profesor vědy o materiálech z Georgia Institute of Technology. „Pokud použijeme mnoho těchto vláken a zabudujeme je do oblečení ve dvou nebo třech vrstvách, mohli bychom světu poskytnout přizpůsobivý, skládací a přenosný zdroj energie. Lidé ho mohou využít k výrobě energie například při obyčejné procházce."

Hudba budoucnosti - oblečení, které bude při pohybu napájet třeba hudební přehravač

Objev nanogenerátoru založeného na hybridním systému mikrovláken a nanodrátků oznámil Wangův tým v dubnu minulého roku. Tento systém vyrábí proud z řady nanodrátků zinečnatého oxidu vertikálně uložených na mikrovláknech. Nanodrátkový nanogenerátor byl přitom navržen tak, aby využíval energii z přírodních zdrojů, jako jsou ultrazvukové vlny, mechanické vibrace nebo krevní oběh.

Nanogenerátor, který vyvinul Wangův výzkumný tým, využívá předností jedinečného spojení piezoelektrických a polovodivých vlastností nanostruktur oxidu zinku, které při ohybu vytváří malý elektrický náboj. Vědci na původním generátoru o velikost 2x3 milimetry pracovali celý rok a nyní dokáže vyrobit až 800 nanoampér a 20 milivoltů.



Vlákna, která produkují energii, jsou okem sotva viditelná

Mikrovláknový generátor pracuje na stejném principu, ale je vyroben z měkčích materiálů a navržen tak, aby zachytil energii i  z mechanického pohybu o malé frekvenci. Tyto materiály obsahují dupont-kevlarová vlákna, na kterých vědci vypěstovali nanodrátky tvořící kolem vláken paprsky. Útvar, který tímto způsobem vznikl, vypadá jako mikroskopický kartáč na čištění lahví s miliardami štětinek. Vždy jedno z vláken v každém páru je pokryto zlatem a slouží jako elektroda .



Několikanásobně zvětšené nanodrátky na kevlarových vláknech

„Tato dvě vlákna se o sebe třou přesně jako dva do sebe zaklesnuté kartáče na čištění lahví a piezoelektrický - vodivý proces mění tento mechanický pohyb na elektrickou energii," vysvětluje Wang. „Když dáme dohromady mnoho takových zařízení, získáme větší energetický výstup."

Wang a jeho spolupracovníci Xudong Wang a Yong Qin vyrobili již na 200 takových nanogenerátorů. Každý z nich je testován na zařízení, které uvádí tato dvě vlákna do pohybu proti sobě. Vlákna se třou proti sobě více než 30 minut, aby se otestoval jejich odolnost a produkce energie.



Celý výzkumný tým v čele s profesorem Wangem

Zatím výzkumníci naměřili proud o velikosti 4 nanoampérů a výstupní napětí přibližně 4 milivolty z nanogenerátoru, který obsahoval dvě vlákna každé o délce asi jednoho centimetru. Wang odhaduje, že s vylepšeným designem by mohl jeden čtvereční metr takto upravené textilie teoreticky vyprodukovat výkon až 80 miliwatů.

Výroba nanogenerátoru začíná tím, že se za použití magnetronového rozprašování potře kevlar zárodečnou vrstvičkou oxidu zinečnatého. Vlákna jsou poté přibližně na 12 hodin ponořena do reakčního roztoku, který způsobí růst nanodrátků ze zárodečné vrstvy za teploty 80 stupňů celsia.

Aby výzkumníci pomohli udržet spojení mezi nanodrátky a kevlarem, aplikují na vlákna dvě vrstvy polymeru tetratoxysilan (TEOS). „Nejdříve pokryjeme vlákno polymerem a poté vrstvou oxidu zinku," vysvětluje Wang. „Poté vypěstujeme nanodrátky a znovu necháme vlákno nasáknout polymerem. To zabrání tomu, aby se při tření s ostatními vlákny jednotlivé drátky neodtrhly."

Nakonec vědci aplikují na některá kevlarová vlákna vrstvičku zlata. Poté spárují vlákna se zlatem a bez něho a ujistí se, že pozlacená vlákna jsou v kontaktu pouze s vlákny s oxidem zinku. Zlatá vlákna přitom slouží jako bariéra mezi vlákny s oxidem zinku a  zastupují zde elektrodu s platinovým hrotem, která byla použita v originálním nanogenerátoru.



Schematický obrázek celého zařízení, kde do sebe jednotlivé „kartáčky" zapadají

Aby se vědci ujistili, že naměřený proud byl skutečně vytvořen piezoelektricko - vodivým efektem a ne pouze vlivem statické elektřiny, provedli několik testů. Zkoušeli tření dvou pozlacených vláken a dvou vláken s oxidem zinku, ale žádná tato kombinace neprodukovala proud. Také zaměnili polarity zapojení, což změnilo výstupní napětí a proud.

Protože k vypěstování nanodrátků na vláknech došlo při tak nízké, jako je teplotě 80 stupňů, mohla by tato nová technika umožnit vytvářet nanostruktury prakticky ve všech tvarech a na všech podkladech. Jako další krok chtějí vědci zkombinovat různé páry vláken, aby zvýšili výstupní napětí a proud. Také plánují zlepšit vodivost vláken.



Profesor Wang drží v rukou svůj vynález

Přes všechny nesporné výhody tohoto vynálezu, ale zbývá ještě vyřešit jeden zásadní krok na cestě k tričku, které vyrábí elektřinu, a tím je praní. Oxid zinečnatý je totiž citlivý na vlhko a až se bude tato technologie používat v běžném oblečení, budou muset být vlákna speciálně ošetřena, aby byla ochráněna před pračkou.

Zbývá už jen vyřešit problém s praním energetických triček

Autor: Tereza Knířová

Zdroj: INOVACE.cz