Учени от България с технология, която може да конкурира батериите
Учени и преподаватели от катедра „ Микроелектроника “, Факултет по електронна техника и технологии на Техническия университет – София построиха наноструктуриран пиезоелектричен материал под формата на нанонвлакна, които създават електричество при прибавен върху тях напън.
Разработката е по отношение на дисертационен труд на маг. инж. Цветозар Цанев на тематика: " Изследване на оксидни и хибридни оксид-полимерни пиезоелектрични детайли с приложение в наноелектромеханични системи (НЕМС) ", под управлението на проф. доктор Валентин Видеков и доцент доктор Мария Александрова – Пандиева. Част от финансовата поддръжка е осъществена от Научно-изследователския бранш на ТУ-София чрез теоретичен план в помощ на докторантите (№ 129ПД0006-03, конкурсна сесия 2019-2020 г).
Източник: Georgia Institute of Technology
В нашето съвремие нараства използването на електронни и механични устройства, като паралелно с това се покачва и нуждата от самостоятелност при функципнирането им. Основен фактор за тази самостоятелност е самостоятелното зареждане. При направени изследвания от екипа, зает с създаването, бе открито, че това може да бъде реализирано посредством потреблението на пиезоелектричния резултат. Основният принцип на този ефент е, че при използване на напън (механично натоварване) върху пиезоелектричен материал, той създава електричество . Системите, които употребяват електричеството, добито посредством пиезоелектричен резултат спадат към групата на НЕМС – наноелектромеханични системи. Те съставляват модерна технология с съществена функционалност да " улавят " механичната силата, с цел да я преобразуват в електрическа. Това се получава при от време на време (повтарямо) използване на механично натоварване върху тях. Технологията е с необятен набор на прложения.
Източник: University of Cambridge
Някои от нововъзникащите приложения употребяващи този резултат са за зареждане на датчици в биомедицината за следене функционалността на избрани органи. При този тип приложение няма опция за потребление на акумулатори, което дава преимущество на този тип зареждане.
1. Сърдечен темп
2. Изменение на кръвното налягане
3. Дишане
4. Движение на крака
За биомедицински приложения безоловните пиезоелектрични материали са наложителни, защото съвместимоста с човешките тъкани е главен фактор.
Източник: Kerley R., Huang X., Ha D.S. (2016) Energy Harvesting from the Human Body and Powering up Implant Devices. In: Kyung CM. (eds) Nano Devices and Circuit Techniques for Low-Energy Applications and Energy Harvesting. KAIST Research Series. Springer, Dordrecht
Слеващото главно предизвикатество, което е и главен проблем при този тип системи, е че количеството " уловена " сила е прекомерно малко за зареждане на устройства с по-висока консумация. Новите екологични стандарти за потребление на безоловни материали (Lead-free materials) допълнитено затрудняват построяването на сходни устрйства. Това е по този начин заради обстоятелството, че техните естествени благоприятни условия за превръщане на механичната сила в електрическа, произлизащи от природата на кристалната решетка, са заначително по-слаби (притежеават по-слаба дарба за поляризация). Това постанова рационализиране на системите във връзка с количеството генерирана (уловена) сила посредством разнообразни подходи.
Първият метод, употребен от екипа, бе избирането на пиезоелектричен материал, който да дава отговор на актуалните екологични стандарти и в същото време с това да питежава положителни пиезоелектрични свойства. Възможностите за съгласуемост с стандартното електронно произвеждане при софтуерното създаване на пиезоелектричния пласт, също бяха взети под внимание. Избраният материал се назовава калиев ниобат (KNbO3) и е от групата на модерните, безоловни материали, характеризиращи се с огромна асиметрия на градивните кафези на кристалната решетка, което е причина за мощна пиезоелектрична реакция даже при едва механично натоварване. Едно от главните достижения на екипа бе приемането на нанопокрития от материала, хиляда пъти по-тънки от човешкия косъм, върху гъвкаво фолио. По този метод се придава гъстота и опция такова фолио да се прикрепи към човешкото тяло и да се задейства от време на време от придвижването на човек, като по този начин създава въпреки и малко количество електрическа енергия.
Вторият метод за рационализиране на тези системи е посредством повишение на добива на сила, който се реализира посредством наноструктуриране на определения материал. Този метод се ползва за реализация на избрана вътрешно структурна класификация на молекулите на материала. Начина на нареждане, може да бъде следен единствено в наноразмерната канара [nm] – а от там и името наноструктуриране. Тази класификация усъвършенства качествата на пиезоматериалите за генериране на електричество.
Други повишаващи добива фактори при метода са увеличението на развитата функционална повърхност (при еднакъв вътрешен размер се получава неведнъж увеличена работна площ). Това е главно свойсто при всички наноструктурирани материали. При реализиране на избрани геометрични структури, да вземем за пример нановлакна (в наноразмерната скала), могат да се получат области, които концентрират маханично приложеното натоварване, което в допълнение усъвършенства пиезоектричните параметри на структурата. Вследствие на тези качества на наноструктурирането, пиезоелектричният материал беше структуриран, посредством плазмено отсрочване в пореста матрица от алуминиев оксид, протичащо в среда на висок вакуум. Тази матрица се построява посредством анодиране на алуминий в разнообразни киселинни разтвори и в началото е била създадена от екипи на катедра " Микроелектроника " под управлението на проф. Валентин Видеков, взаимно с доцент Боряна Цанева от катедра Химия (ТУ-София). Тя има пореста конструкция, като геометричните параметри на порите се дефинират от режимите на тяхното образуване. В последстви, порите биват запълнени с пиезоелектричния материал като той напълно копира тяхната конструкция. По този метод се построяват пиезоелектрични наноструктурирани нишки.
Източник: Микроскопска фотография (изглед отгоре) на нанопори от алуминиев оксид (~200 nm) под формата на матрица. Снимката е направена в Софийския университет и съставлява един от облиците, направени по отношение на план в помощ на докторант и докторска дисертация.
Източник: Микроскопска фотография (изглед отстрани) на построени пиеоелектричните ноновлакна
Снимка вляво: Големина и форма на генерираното напрежение 410 mV от наноструктуриаран пример с размер 0.001cm3.
Снимка вдясно: Големина и форма на генерираното напрежение 176 mV от неструктуриаран пример с размер 0.1cm3.
При използване на механично натоварване от няколко десетки грама върху структурите от нановлакна, те генерираха електрически сигнал до 2,3 пъти по-силен по отношение на неструктуриран пиезоелектричен материал със същия размер. За да се направи вярно сравниение, механичната дисторция беше идентична и при двата образеца. Това демонстрира, че този тип вид технология доста покачва добива на сила и има капацитет за внедряване в действителни устройства.
Бъдещата работа по дисертационния труд и втори стадий на научния план, ще бъде ориентирана към създаване на нови подходи за запълване на нанопорите с материали на органична основа (пиезомастила), за възстановяване на биосъвместимостта на структурите.
Автори: Цветозар Цанев, Мария Александрова, Валентин Видеков
Разработката е по отношение на дисертационен труд на маг. инж. Цветозар Цанев на тематика: " Изследване на оксидни и хибридни оксид-полимерни пиезоелектрични детайли с приложение в наноелектромеханични системи (НЕМС) ", под управлението на проф. доктор Валентин Видеков и доцент доктор Мария Александрова – Пандиева. Част от финансовата поддръжка е осъществена от Научно-изследователския бранш на ТУ-София чрез теоретичен план в помощ на докторантите (№ 129ПД0006-03, конкурсна сесия 2019-2020 г).
Източник: Georgia Institute of Technology
В нашето съвремие нараства използването на електронни и механични устройства, като паралелно с това се покачва и нуждата от самостоятелност при функципнирането им. Основен фактор за тази самостоятелност е самостоятелното зареждане. При направени изследвания от екипа, зает с създаването, бе открито, че това може да бъде реализирано посредством потреблението на пиезоелектричния резултат. Основният принцип на този ефент е, че при използване на напън (механично натоварване) върху пиезоелектричен материал, той създава електричество . Системите, които употребяват електричеството, добито посредством пиезоелектричен резултат спадат към групата на НЕМС – наноелектромеханични системи. Те съставляват модерна технология с съществена функционалност да " улавят " механичната силата, с цел да я преобразуват в електрическа. Това се получава при от време на време (повтарямо) използване на механично натоварване върху тях. Технологията е с необятен набор на прложения.
Източник: University of Cambridge
Някои от нововъзникащите приложения употребяващи този резултат са за зареждане на датчици в биомедицината за следене функционалността на избрани органи. При този тип приложение няма опция за потребление на акумулатори, което дава преимущество на този тип зареждане.
1. Сърдечен темп
2. Изменение на кръвното налягане
3. Дишане
4. Движение на крака
За биомедицински приложения безоловните пиезоелектрични материали са наложителни, защото съвместимоста с човешките тъкани е главен фактор.
Източник: Kerley R., Huang X., Ha D.S. (2016) Energy Harvesting from the Human Body and Powering up Implant Devices. In: Kyung CM. (eds) Nano Devices and Circuit Techniques for Low-Energy Applications and Energy Harvesting. KAIST Research Series. Springer, Dordrecht
Слеващото главно предизвикатество, което е и главен проблем при този тип системи, е че количеството " уловена " сила е прекомерно малко за зареждане на устройства с по-висока консумация. Новите екологични стандарти за потребление на безоловни материали (Lead-free materials) допълнитено затрудняват построяването на сходни устрйства. Това е по този начин заради обстоятелството, че техните естествени благоприятни условия за превръщане на механичната сила в електрическа, произлизащи от природата на кристалната решетка, са заначително по-слаби (притежеават по-слаба дарба за поляризация). Това постанова рационализиране на системите във връзка с количеството генерирана (уловена) сила посредством разнообразни подходи.
Първият метод, употребен от екипа, бе избирането на пиезоелектричен материал, който да дава отговор на актуалните екологични стандарти и в същото време с това да питежава положителни пиезоелектрични свойства. Възможностите за съгласуемост с стандартното електронно произвеждане при софтуерното създаване на пиезоелектричния пласт, също бяха взети под внимание. Избраният материал се назовава калиев ниобат (KNbO3) и е от групата на модерните, безоловни материали, характеризиращи се с огромна асиметрия на градивните кафези на кристалната решетка, което е причина за мощна пиезоелектрична реакция даже при едва механично натоварване. Едно от главните достижения на екипа бе приемането на нанопокрития от материала, хиляда пъти по-тънки от човешкия косъм, върху гъвкаво фолио. По този метод се придава гъстота и опция такова фолио да се прикрепи към човешкото тяло и да се задейства от време на време от придвижването на човек, като по този начин създава въпреки и малко количество електрическа енергия.
Вторият метод за рационализиране на тези системи е посредством повишение на добива на сила, който се реализира посредством наноструктуриране на определения материал. Този метод се ползва за реализация на избрана вътрешно структурна класификация на молекулите на материала. Начина на нареждане, може да бъде следен единствено в наноразмерната канара [nm] – а от там и името наноструктуриране. Тази класификация усъвършенства качествата на пиезоматериалите за генериране на електричество.
Други повишаващи добива фактори при метода са увеличението на развитата функционална повърхност (при еднакъв вътрешен размер се получава неведнъж увеличена работна площ). Това е главно свойсто при всички наноструктурирани материали. При реализиране на избрани геометрични структури, да вземем за пример нановлакна (в наноразмерната скала), могат да се получат области, които концентрират маханично приложеното натоварване, което в допълнение усъвършенства пиезоектричните параметри на структурата. Вследствие на тези качества на наноструктурирането, пиезоелектричният материал беше структуриран, посредством плазмено отсрочване в пореста матрица от алуминиев оксид, протичащо в среда на висок вакуум. Тази матрица се построява посредством анодиране на алуминий в разнообразни киселинни разтвори и в началото е била създадена от екипи на катедра " Микроелектроника " под управлението на проф. Валентин Видеков, взаимно с доцент Боряна Цанева от катедра Химия (ТУ-София). Тя има пореста конструкция, като геометричните параметри на порите се дефинират от режимите на тяхното образуване. В последстви, порите биват запълнени с пиезоелектричния материал като той напълно копира тяхната конструкция. По този метод се построяват пиезоелектрични наноструктурирани нишки.
Източник: Микроскопска фотография (изглед отгоре) на нанопори от алуминиев оксид (~200 nm) под формата на матрица. Снимката е направена в Софийския университет и съставлява един от облиците, направени по отношение на план в помощ на докторант и докторска дисертация.
Източник: Микроскопска фотография (изглед отстрани) на построени пиеоелектричните ноновлакна
Снимка вляво: Големина и форма на генерираното напрежение 410 mV от наноструктуриаран пример с размер 0.001cm3.
Снимка вдясно: Големина и форма на генерираното напрежение 176 mV от неструктуриаран пример с размер 0.1cm3.
При използване на механично натоварване от няколко десетки грама върху структурите от нановлакна, те генерираха електрически сигнал до 2,3 пъти по-силен по отношение на неструктуриран пиезоелектричен материал със същия размер. За да се направи вярно сравниение, механичната дисторция беше идентична и при двата образеца. Това демонстрира, че този тип вид технология доста покачва добива на сила и има капацитет за внедряване в действителни устройства.
Бъдещата работа по дисертационния труд и втори стадий на научния план, ще бъде ориентирана към създаване на нови подходи за запълване на нанопорите с материали на органична основа (пиезомастила), за възстановяване на биосъвместимостта на структурите.
Автори: Цветозар Цанев, Мария Александрова, Валентин Видеков
Източник: actualno.com
КОМЕНТАРИ