Тканина з тефлону, міді, вовни і світлочутливих волокон дозволяє перетворювати енергію сонця і механічного руху в електрику.
Технічний прогрес початку XX ст. не тільки дав нам літаки, космос та інше, він ще й неабияк підштовхнув уяву письменників і художників. Багато з того, про що мріяли в ті роки, для нас тепер повсякденна рутина, але чимало ідей так і залишилися в світі чистої фантазії - в тому числі і ті, що стосуються одягу і пов'язаних з нею пристосувань.
З розвитком різних технологій, таких, як тривимірний принтер і складносочинені матеріали, фантазії про «розумний» одяг стають все більш реальними, і ми навіть можемо купити кросівки з самозавязуваними шнурками, але, скажімо, про одяг з вбудованою автономною електронікою ми поки можемо тільки мріяти. Тим не менш, прогрес на те і прогрес, щоб перетворювати мрії на реальність.
Цзюнь Чень (Jun Chen), І Хуан (Yi Huang) і їхні колеги з США і Китаю розробили «розумну» гібридну тканину, яка перетворює енергію сонця і механічного руху в електрику. Вона складається з легких полімерних волокон «сонячної панелі», сплетених з трибоелектричними наногенераторами (ТЕНГ). Трибоелектрикою називають наведення заряду за рахунок тертя; так, наприклад, ми заряджаємо бурштин, коли натираємо його вовною.
Як влаштована така тканина? Композитні полімерні світлочутливі волокна і тефлонові «стрічки» служать нитками основи, а мідна і кольорова вовна нитками уткА. Все переплітається разом на ткацькому верстаті полотняним плетінням (нитки перетинаються через одну), з чергуванням ділянок з «сонячних» волокон і ТЕНГ-смужками, або в шаховому порядку. Підсумковий матеріал виходить товщиною близько 0,3 мм.
Світлочутливі волокна складаються з провідних серцевини і оболонки, між якими розташовані шари оксиду цинку і барвника. При поглинанні сонячних променів на поверхні між оксидом цинку і барвником відбувається утворення пар електрон-дірка (де дірка - носій позитивного заряду). Дірки відправляються всередину волокна і по провіднику в серцевині йдуть на електрод. Тим часом електрони переходять з поверхні волокна на мідні нитки, що переплітають світлочутливе волокно, і «стікаються» на протилежно заряджений електрод. Таким чином сонячна енергія перетворюється на електричну.
«Стрічки» тефлона (політетрафторіетилену), нанесені на тонкий провідник з обох сторін, служать основою ТЕНГ. Мідні нитки, які переплітають і їх, стикаються з тефлоном при русі (тобто згинах, натягненні і тиску на матеріал). Різниця в енергії споріднення електронів міді і фтора призводить до того, що електрони перескакують з поверхні міді на атоми фтору. В результаті мідний провід виявляється заряджений позитивно, а смужка тефлона - негативно, після чого електрони «стікають» по провіднику на загальний електрод.
Матеріалознавці протестували різні види плетіння гібридної «тканини» і дійшли висновку, що при полотняному плетінні площа перекриття світлочутливих волокон мінімальна, що призводить до збільшення корисної поверхні для збору енергії. Що стосується ТЕНГ, то, як і у випадку з «сонячною» частиною тканини, полотняне плетіння дозволяє збирати енергію механічного руху найбільш ефективно. Також виявилося, що бавовна рукою виробляє найбільшу потужність струму порівняно зі згинанням матеріалу.
З можливих напрямків згинання тканини найбільш «потужним» у трибоелектричному сенсі є згиб уздовж смужок тефлону. Це потрібно враховувати при крої, щоб максимізувати потужність вироблення електрики. Крім того, з'ясувалося, що «сонячні» ділянки і ТЕНГ сильно відрізняються за внутрішнім опором, тому для оптимальної потужності фрагменти «розумної» тканини потрібно з'єднувати за допомогою діодів, які обмежують струм в одному з напрямків і перешкоджають короткому замиканню ТЕНГ.
«Польові» дослідження показали, що ефективність трибологічного збору енергії знижується з вологістю повітря, але відновлюється, якщо висушити тканину. Вплив підвищеної вологості повітря можна звести до нуля ламінуванням ТЕНГ, хоча це ускладнить процес створення тканини. Дослідники сплели лоскуток гібридної тканини розміром 4х1 см - його виявилося достатньо, щоб за 1 хвилину при інтенсивному освітленні зарядити промисловий конденсатор ємністю в 2 мільйфарада з напругою до 2 вольт, який можна використовувати для харчування електронного годинника або зарядки мобільного телефону.
Повністю результати роботи опубліковані в Nature Energy. Автори статті пропонують нашивати розумну тканину на прапори, намети, використовувати її енергію для електролізу води (альтернатива способу, запропонованому в статті про шпинатну енергетику) і робити одяг з вбудованою електронікою.
Проблема живлення «носибельної» електроніки тісно пов'язана з екологічним виробництвом електроенергії як таким. Звичайно, це досить глобальне завдання, але, як часто буває, приватні рішення точкових проблем можуть мати далекосяжні наслідки.
Гнучка і ефективна тканина, здатна збирати енергію з навколишнього середовища для «електронного» одягу або взуття, можливо, є саме таким випадком. Взагалі ж застосувань «тканинного електрогенератора» можна придумати дуже багато, і питання «а що ще можна зробити з такою тканиною?» дає нам хороший привід перечитати наукову фантастику першої половини минулого століття.