Научници и професори од катедрата за микроелектроника од Факултетот за електронска техника и технологии на Техничкиот универзитет во Софија изградија наноструктуриран пиезоелектричен материјал во форма на нановлакна што произведуваат електрична енергија при извршен притисок (оптоварување) врз нив.
Развојниот проект е во врска со дисертациски труд на м-р инж. Цветозар Цанев на тема: „Истражување на оксидни и хибридни оксид-полимерни пиезоелектрични елементи со аплицирање во наноелектромеханички системи (НЕМС)“.
Во ова време расте употребата на електронски и механички уреди и заедно со тоа се зголемува и неопходноста од независност при нивното функционирање. Основен фактор за таа независност е автономното полнење. При направените проучувања, тимот утврдил дека тоа може да биде постигнато преку користењето на пиезоелектричниот ефект.
Основниот принцип на тој ефект е што при притисок (механичко оптоварување) врз пиезоелектричен материјал, тој произведува електрична енергија.
Системите што користат електрична енергија добиена од пиезоелектричен ефект ѝ припаѓаат на групата на НЕМС - наноелектромеханички системи. Тие претставуваат современа технологија со основна функција да ја „уловат“ механичката енергија за да ја преобразат во електрична. Тоа се случува при периодично (повторувачко) приложување на механичко оптоварување врз нив. Технологијата е со широк спектар на употреба.
Микроскопска фотографија (изглед отстрана) на изградени пиезоелектрични нановлакна
Некои од новите апликации каде што се користи овој ефект се за полнење сензори во биомедицината за следење на функциите на определени органи. Во тој случај нема можност за користење батерии, што му дава предност на овој начин на полнење. За биомедицинска примена безоловните пиезоелектрични материјали се задолжителни, бидејќи компатибилноста со човечките ткива е основен фактор.
Следниот основен предизвик, кој е и основен проблем при овој вид системи, е дека количество на „условената“ енергија е многу мало за полнење уреди со поголема потрошувачка. Новите еколошки стандарди за користење безоловни материјали дополнително го отежнуваат производството на такви уреди.
Тоа е така бидејќи нивните природни можности за преобразба на механичката енергија во електрична, што произлегуваат од својствата на кристалната решетка, се значително послаби (поседуваат послаба способност за поларизација). Тоа наложува усовршување на системите во однос на количествата на генерирана (уловена) енергија преку различни пристапи.
Првиот пристап, применет од екипата, беше избирање на пиезоелектричен материјал што ќе одговара на современите еколошки стандарди и истовремено ќе поседува добри пиезоелектрични својства. Потенцијалите за компатибилност со конвенционалното електронско производство при технолошкото градење на пиезоелектричниот слој исто така беа земени предвид. Избраниот материјал се нарекува калиум карбонат (KNbO3) и е од групата на модерните, безоловни материјали што се карактеризираат со голема асиметрија на градивните клетки на кристалната решетка, што е претпоставка за силна пиезоелектрична реакција дури и при слабо механичко оптоварување. Едно од основните постигнувања на екипата е добивањето нанопокритија од материјалот, илјада пати потенки од човечко влакно, врз флексибилна фолија. На овој начин се дава компактност и можност фолијата да се аплицира на човечкото тело, да се активира периодично од човечкото движење и да произведува макар и мало количество електрична енергија.
Фото: Микроскопска снимка (изглед одгоре ) на нанопори од алуминиум оксид (~200 nm) под формата на матрица. Софиски универзитет.
Вториот пристап за усовршување на овие системи е преку зголемување на добивката на енергија што се остварува преку наноструктурирање на избраниот материјал. Овој приод се приложува со цел да се реализира определена внатрешна структурна распределба на молекулите на материјалот. Начинот на подредување може да биде набљудуван само во наноразмерна скала [nm] - оттаму и името наноструктурирање. Таквата подреденост ги подобрува способностите на пиезоматеријалите за генерирање електрична енергија.
При приложување на механичко оптоварување од неколку десетици грама врз структурите од нановлакна, тие генерираат електричен сигнал 2,3 пати посилен од неструктуриран пиезоелектричен материјал со истиот обем. За да се направи правилна споредба, механичката деформација била еднаква и во двата обрасци. Тоа покажува дека овој вид технологија значително го зголемува добивањето на енергија и поседува потенцијал за примена во реални уреди.
Идната работа и втората етапа на
научниот проект ќе биде насочена кон разработка на нови приоди за полнење на нанопорите со материјали на органска основа (пиезомастила), со цел да се подобри биокомпатибилноста на структурите.