В тончайшем слое прозрачных полимеров созданы генераторы тока, также являющиеся сенсорами

Группой исследователей под руководством профессора Жона Ли Вана (Zhong Lin Wang) из Школы материаловедения и инженерии в Технологическом институте штата Джорджия разработаны наногенераторы переменного тока на основе трибоэлектрического эффекта – возникновения разности потенциалов при интенсивном трении двух материалов.

Обычно данный эффект рассматривается как негативный, поскольку именно он лежит в основе накопления статического электричества и может привести к порче электронных компонентов. В компьютерной технике его стараются избегать, используя антистатические пакеты, заземляющие браслеты, отказываясь от шерстяной и синтетической одежды при сборке. Однако любому явлению можно найти и положительное применение.

Прозрачные и гибкие генераторы электрического тока молекулярных размеров были созданы как развитие идей предыдущих разработок той же группы. В 2006 году этот научный коллектив представил первый наногенератор на основе оксида цинка, который использовал пьезоэлектрический эффект для преобразования механической энергии в электрическую.

Более позднее устройство использовало уже контактное взаимодействие между двумя полимерными плёнками из каптона (полиамида) и полиэстера. Оказываемое на двухслойную конструкцию механическое давление приводило к возникновению трибоэлектрического эффекта. Такая структура позволяла сразу решить три ключевых задачи: генерирование, распределение и передачу электрического заряда.

В целях повышения КПД и добавления свойства прозрачности, каптон был заменён полидиметилсилоксаном (ПДМС). На плёнке из этого материала формируется рисунок, и затем она укладывается на поверхность электрода из оксида индия и олова, покрытого другим прозрачным полимером — полиэтилентерефталатом. По трибоэлектрической шкале у сочетания двух выбранных материалов сохраняется достаточно высокая разность потенциалов. Дополнительно исследовательской группой с помощью кремниевых форм были созданы и испытаны три типа однородных рисунков поверхности: линейный, кубический и пирамидальный.

Плёнки с пирамидальной поверхностью многократно превзошли по энергетической эффективности другие образцы. Они позволили достичь показателя выходного напряжения в 18 В при плотности тока 0,13 мкА на см².

Помимо роли источника питания для других микроэлектронных устройств такая двухслойная полимерная плёнка может использоваться в качестве самодостаточного сенсора давления с широчайшим диапазоном чувствительности от 0,4 до 13 Мпа. Такой датчик идеально подойдёт для создания тактильных сенсоров искусственной кожи роботов и найдёт массу других применений в более традиционных областях.