Мигание цифр на жидкокристаллическом дисплее (LCD), как правило, указывает на необходимость сбросить временные настройки устройства. Но в лаборатории Чжун Лин Ван в Georgia Tech мигающие на небольшом ЖК-дисплее цифры символизируют успех, увенчавший пятилетние попытки запитать мелкие электронные устройства от наногенераторов, «собирающих» механическую энергию из окружающей среды с помощью решетки из нанопроводов.

В данном случае механическая энергия производится в результате сжатия наногенератора двумя пальцами, но с тем же успехом это может быть биение сердца, топот ботинок по горной тропе, шуршание рубашки или вибрация тяжелого станка. Хотя наногенераторы никогда не смогут производить количество электроэнергии достаточно большое для обычных нужд, ее будет вполне достаточно для питания наноразмерных и микромасштабных устройств – даже для зарядки кардиостимуляторов или iPod плееров.

Наногенераторы Вана работают за счет пьезоэлектрического эффекта, характерного для некоторых кристаллических материалов (в том числе оксида цинка) – то есть за счет появления в материале потенциала электрического заряда при сгибании или сжатии выполненных из него конструкций. Путем сбора и объединения зарядов миллионов наноразмерных проводков из оксида цинка Ван и его исследовательская группа могут получить напряжение до трех вольт – и силу тока в 300 наноампер.

“В результате упрощения конструкции, придания ей большей надежности и включении в схему большего количества нанопроводов мы успешно повысили производительность нашего наногенератора, которой теперь достаточно для питания таких устройств, как коммерческие жидкокристаллические дисплеи, светодиоды и лазерные диоды”, – с гордостью заявил профессор Ван, член правления Школы материаловедения и инженерии Технологического института Джорджии. – “Если нам удастся и в дальнейшем поддерживать тот же темп усовершенствования, вскоре мы сможем на практике применять наногенераторы в медицинских устройствах, персональной электронике или средствах мониторинга окружающей среды”.

Последние усовершенствования наногенераторов, включая более простой способ их производства, были представлены онлайн в журнале Nano Letters в первых числах ноября 2010 года. Более ранние отчеты в том же журнале и в Nature Communications сообщали о других достижениях этой научной разработки, проходящей при поддержке Управления перспективного планирования оборонных научно-исследовательских работ (DARPA), Министерства энергетики США, ВВС США и Национального научного фонда.

В самых ранних прототипах наногенераторов из оксида цинка использовалась решетка нанопроводов, выращенная (как лес, столбиками высотой 200-500 и диаметром 20-40 нанометров) на жесткой подложке с металлическим электродом сверху. В более поздних версиях оба конца нанопроводов погружали в полимер, энергия производилась простым сгибанием этой конструкции. Вне зависимости от конфигурации устройств они требовали тщательного выращивания решетки нанопроводников и кропотливой сборки.

В последней работе Ван и члены его группы Юфан Ху, Чжан Янь, Чэнь Сюй, Гуан Чжу и Зетанг Ли сообщили о гораздо более простом технологическом решении этой задачи. Во-первых, они вырастили решетки из нового типа нанопроводов конической формы. Эти провода были вырезаны из растящей их подложки и помещены в спиртовой раствор. Затем раствору с содержанием нанопроводов дали стечь на тонкий металлический электрод и лист гибкой полимерной пленки. После высыхания спирта был создан новый слой. По мнению Вана, такой процесс создания композита из нескольких слоев нанопроволоки/полимера сможет быть расширен до уровня промышленного производства.

При сгибании эти «бутерброды» из нанопроволоки размером 2 на 1,5 сантиметров производят достаточно электроэнергии для питания обыкновенного дисплея, заимствованного из карманного калькулятора.

По словам Вана, наногенераторы в настоящее время близки к тому, чтобы производить достаточный ток для автономного питания системы мониторинга окружающей среды на предмет наличия, к примеру, токсичных газов, и передачи ею предупреждения. В систему могли бы входить конденсаторы, способные аккумулировать малые заряды до тех пор, пока энергии не стало бы достаточно для отправки пакета данных.

Хотя производительность наногенераторов все еще остается ниже уровня, необходимого для зарядки устройств типа iPod или кардиостимуляторов, Ван полагает, что эти уровни будут достигнуты в течение ближайших трех-пяти лет. Мощность представленного сегодня наногенератора, отмечает он, превышает возможности разработанного его группой год назад почти в 100 раз.

В отдельной статье, опубликованной в октябре в журнале Nature Communications члены группы Шэн Сю, Бенджамин Дж. Хансен и Ван сообщили о новой методике изготовления пьезоэлектрических нанопроводов из цирконата-титаната свинца – также известного как ЦТС. Материал уже используется в промышленности, однако выращивание его сопряжено с некоторыми трудностями, так как требует поддержания температуры порядка 650 градусов Цельсия. Команда же Вана для выращивания монокристальных вертикальных решеток нанопроводов использовала процесс, известный как гидротермальное разложение, необходимая температура для прохождения которого составляет лишь 230 градусов Цельсия. От ЦТС наногенераторов ученые смогли запитать лазерный диод, продемонстрировав таким образом еще одну, хотя и менее эффективную, альтернативу наногенераторам из оксида цинка.

В еще одной статье, опубликованной в Nano Letters, Ван, Гуан Чжу, Русен Янга и Сихон Ван сообщили о еще одном способе повышения продуктивности наногенератора. Их подход, названный “масштабируемой развертывающей печатью”, включает в себя два этапа: (1) перемещение вертикально выстроенных нанопроводов из оксида цинка на приемную подложку для формирования горизонтальных решеток; (2) применение параллельных ленточных электродов для объединения всех нанопроволок. В результате использования единственного слоя этой структуры исследователи смогли получить напряжение разомкнутой цепи в 2,03 вольт и пиковую плотность выходной мощности около 11 мВт/см3.

“С момента начала разработок в 2005 году мы смогли значительно улучшить показатели выходной мощности наногенераторов”,– отметил Ван. – “Это уже почти то, что нужно. Я убежден, что если мы сможем оперировать этими мелкими деталями, то и зарядка малых систем наногенераторами в ближайшем будущем станет реальностью. Я надеюсь увидеть практическое применение наших разработок уже в ближайшие пять лет”.