Naukowcy z University of Wisconsin-Madison, University of Minnesota-Duluth w Stanach Zjednoczonych oraz Sun Yat-sen University Guangzhou w Chinach zaprezentowali obiecujące rozwiązanie do ładowania m.in. akumulatorów telefonów komórkowych w podróży, bez potrzeby korzystania z zewnętrznego gniazdka. Piezoelektryczny polimerowy materiał PVDF umożliwi zasilanie baterii za pomocą drgań. Nanogenerator przymocowany do telefonu może absorbować i konwertować energię pochodzącą z wibracji np. z siedzenia pasażera lub deski rozdzielczej samochodu na energię elektryczną.
Piezoelektryki to materiały, w których obserwowane jest zjawisko piezoelektryczne, polegające na pojawieniu się pod wpływem naprężeń mechanicznych ładunków elektrycznych na ich powierzchni. Proces ten zachodzi także odwrotnie, tzn. umieszczenie takiego elementu w polu elektrycznym spowoduje powstanie w nim naprężeń mechanicznych, czyli jego odkształcenia. Odkryto już ponad tysiąc materiałów o właściwościach piezoelektrycznych, jednak tylko kilkanaście z nich znajduje szerokie zastosowanie. Naturalne kryształy wykazujące piezoelektryczność to m.in. kwarc, berlinit (AlPO4), sól Rochelle, suche kości, ścięgna, jedwab i DNA. Najbardziej znane materiały syntetyczne to tytanian baru (BaTiO3), tytanian ołowiu (PBTiO3), PZT, niobian potasu (KNbO3), niobian litu (LiNbO3), tantalan litu (LiTaO3), wolframian sodu (Na2WO3), tlenku cynku (ZnO) oraz polifluorek winylidenu (z ang. polyvinylidene fluoride, PVDF). Obecnie, największymi rynkami aplikacji dla urządzeń piezoelektrycznych są: przemysł motoryzacyjny, muzyczny (mikrofony, głośniki) mikrorobotyka (czujniki, siłowniki), produkcja instrumentów medycznych, badawczych oraz urządzeń stosowanych w telekomunikacji. Działanie piezoelektryków analizowaliśmy już w artykule na temat pasków z cyrkonianu-tytanianu ołowiu (PZT) do zasilania implantów medycznych. Tym razem współpraca naukowców z Chin i USA wydała owoc w postaci mezoporowatego generatora, doczepianego do obudowy telefonu. Szczegółowe wyniki badań zostały opublikowane 27 stycznia 2014 roku, w internetowej wersji czasopisma Advanced Energy Materials.
Materiałami piezoelektrycznymi wykorzystanymi do budowy generatora dla telefonów były nanocząsteczki tlenku cynku (ZnO) oraz polifluorek winylidenu (PVDF). Zagadnienie ZnO szczegółowo omawialiśmy przy okazji materiałów używanych w filtrach przeciwsłonecznych. Natomiast PVDF, (C2H2F2)n jest polimerem termoplastycznym o wysokim stopniu krystalizacji. Tworzywo sztuczne z rodziny fluoropolimerów posiada stosunkowo dużą wytrzymałość mechaniczną, na ścieranie oraz odporność na rozpuszczalniki (w tym kwasy i zasady), wysokie temperatury i trudne warunki atmosferyczne. Jego gęstość wynosi 1,78 g/cm^3 przy absorpcji wody na poziomie 0,04%. W porównaniu do innych fluoropolimerów ma względnie niską temperaturę topnienia, około 177°C, wykazując przy tym naturalną niepalność. Najczęściej znajduje zastosowania przy produkcji rur, płyt wałków, płaszczów kabli, części pomp, uszczelniaczy oraz w postaci zamkniętych, piankowych komórek w przemyśle lotniczym. PVDF stosowany jest także jako główny składnik wysokiej klasy farb dla metali, nadających trwałość i połysk. PVDF sprzedawany jest pod różnymi nazwami handlowymi, w tym Hylar, Kynar i SOLEF.
Zespół naukowców połączył w roztworze nanocząsteczki tlenku cynku (o średnicy 35-45 nanometrów) z polimerem PVDF. Poprzez mieszanie badacze otrzymali równomierny rozkład nanocząsteczek ZnO w osnowie z PVDF. Gotowy kompozyt uformowano w postaci cienkich pasków. Następnie, nanocząstki zostały wytrawione kwasem z podłoża z polifluorku winylidenu. Powstałe mezopory (otwory) powodowały, że zwykle sztywny materiał zachowywał się podobnie jak gąbka. Jak twierdzą inżynierowie, zmiana mikrostruktury wpłynęła korzystnie na zwiększenie “czułości” materiału na wibracje. Kolejnym krokiem było zamontowanie elektrod z obu stron polimerowego, mezoporowatego paska. Miękki i elastyczny materiał z sukcesami próbowano potem przymocowywać do szorstkich, płaskich lub zakrzywionych powierzchni (w tym ludzkiej skóry).
W przypadku telefonu komórkowego, do montażu użyto czterech pasków z gąbczastego PVDF. Zostały one podpięte do oscylatora o częstotliwości 40 Hz. Energia elektryczna pozyskana z drgań była prowadzona do mostka prostowniczego, a następnie składowana w dwóch kondensatorach, każdym o całkowitej pojemności 47 uF. W trzydzieści osiem minut na kondensatorach osiągnięto napięcie na poziomie 3,7 V. Po podłączeniu obu kondensatorów do regulatora, uzyskano napięcie wyjściowe 5 V, które zostało wykorzystane do zasilenia telefonu.
Badacze są zdania, że elastyczne nanogeneratory wykonane z mezoporowatej gąbki piezoelektrycznego polifluorku winylidenu (PVDF) mogą efektywnie przetwarzać energię mechaniczną otoczenia na energię elektryczną. Cienkie warstwy można bezpośrednio łączyć z urządzeniem elektronicznym i wykorzystywać do jego samozasilania. Dużą zaletą jest prostota konstrukcji i procesu produkcyjnego, który można łatwo przenieść z laboratorium do hali przemysłowej. To, jak przebiegały testy można zobaczyć, pobierając filmy TUTAJ i TUTAJ.
Źródło:
[1] Yanchao Mao, Ping Zhao, Geoffrey McConohy, Hao Yang, Yexiang Tong, Xudong Wang. Sponge-Like Piezoelectric Polymer Films for Scalable and Integratable Nanogenerators and Self-Powered Electronic Systems. Advanced Energy Materials, 2014; DOI: 10.1002/aenm.201301624
[2] http://www.news.wisc.edu/22578 [24.02.2014]
[3] http://nanoscience.engr.wisc.edu/paper/2014/14_AEM_1_s.pdf [24.02.2014]
[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Polyvinylidene_fluoride [24.02.2014]
[5] http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201301624/abstract [24.02.2014]
[6] Apple iPhone Charging via USB hub by IntelFreePress, flickr.com, CC BY-SA 2.0