Ткань из тефлона, меди, шерсти и светочувствительных волокон позволяет превращать энергию солнца и механического движения в электричество.

Технический прогресс начала XX в. не только дал нам самолёты, космос и прочее, он ещё и изрядно подтолкнул воображение писателей и художников. Многое из того, о чём мечтали в те годы, для нас теперь повседневная рутина, но немало идей так и остались в мире чистой фантазии – в том числе и те, что касаются одежды и связанных с ней приспособлений.

 Фрагменты волокон и схема переплетения ТЭНГ и «солнечных» участков (http://www.nature.com/articles/nenergy2016138)

Примеры использования гибридной «умной» ткани: зарядка конденсатора, зарядка мобильного телефона, питание электронних часов и электролиз воды (Иллюстрация Jun Chen et al., Nature Energy 1 : 16138 (2016). http://www.nature.com/articles/nenergy2016138)

С развитием различных технологий, таких, как трёхмерный принтер и сложносочинённые материалы, фантазии про «умную» одежду становятся всё более реальными, и мы даже можем купить кроссовки с самозавязывающимися шнурками, но, скажем, об одежде с встроенной автономной электроникой мы пока можем только мечтать. Тем не менее, прогресс на то и прогресс, чтобы превращать мечты в реальность.

Цзюнь Чэнь (Jun Chen), И Хуан (Yi Huang) и их коллеги из США и Китая разработали «умную» гибридную ткань, которая преобразует энергию солнца и механического движения в электричество. Она состоит лёгких полимерных волокон «солнечной панели», сплетенных с трибоэлектрическими наногенераторами (ТЭНГ). Трибоэлектричеством называют наведение заряда за счёт трения; так, например, мы заряжаем янтарь, когда натираем его шерстью.

Как устроена такая ткань? Композитные полимерные светочувствительные волокна и тефлоновые «ленты» служат нитями основы, а медная и цветная шерстяная нить – нитями уткА. Всё переплетается вместе на ткацком станке полотняным плетением (нити пересекаются через одну), с чередованием участков из «солнечных» волокон и ТЭНГ-полосками, либо в шахматном порядке. Итоговый материал получается толщиной около 0,3 мм.

Светочувствительные волокна состоят из проводящих сердцевины и оболочки, между которыми расположены слои оксида цинка и красителя. При поглощении солнечных лучей на поверхности между оксидом цинка и красителем происходит образование пар электрон-дырка (где дырка – носитель положительного заряда). Дырки отправляются внутрь волокна и по проводнику в сердцевине уходят на электрод. Тем временем электроны переходят с поверхности волокна на медные нити, переплетающие светочувствительное волокно, и «стекаются» на противоположно заряженный электрод. Таким образом солнечная энергия преобразуется в электрическую.

«Ленты» тефлона (политетрафториэтилена), нанесённые на тонкий проводник с обеих сторон, служат основой ТЭНГ. Медные нити, которые переплетают и их, соприкасаются с тефлоном при движении (то есть сгибах, натяжении и давлении на материал). Разность в энергии сродства электронов меди и фтора приводит к тому, что электроны перескакивают с поверхности меди на атомы фтора. В результате медный провод оказывается заряжен положительно, а полоска тефлона – отрицательно, после чего электроны «стекают» по проводнику на общий электрод.

Материаловеды протестировали разные виды плетения гибридной «ткани» и пришли к выводу, что при полотняном плетении площадь перекрытия светочувствительных волокон минимальна, что приводит к увеличению полезной поверхности для сбора энергии. Что касается ТЭНГ, то, как и в случае с «солнечной» частью ткани, полотняное плетение позволяет собирать энергию механического движения наиболее эффективно. Также оказалось, что хлопок рукой производит наибольшую мощность тока по сравнению со сгибанием материала.

Из возможных направлений сгибания ткани самым «мощным» в трибоэлектрическом смысле является сгиб вдоль полосок тефлона. Это нужно учитывать при крое, чтобы максимизировать мощность выработки электричества. Кроме того, выяснилось, что «солнечные» участки и ТЭНГ сильно отличаются по внутреннему сопротивлению, поэтому для оптимальной мощности фрагменты «умной» ткани нужно соединять с помощью диодов, которые ограничивают ток в одном из направлений и препятствуют короткому замыканию ТЭНГ.

«Полевые» исследования показали, что эффективность трибологического сбора энергии снижается с влажностью воздуха, но восстанавливается, если высушить ткань. Воздействие повышенной влажности воздуха можно свести к нулю ламинированием ТЭНГ, хотя это усложнит процесс создания ткани. Исследователи сплели лоскуток гибридной ткани размером 4х1 см – его оказалось достаточно, чтобы за 1 минуту при интенсивном освещении зарядить промышленный конденсатор ёмкостью в 2 миллифарада с напряжением до 2 вольт, который можно использовать для питания электронных часов или зарядки мобильного телефона.

Полностью результаты работы опубликованы в Nature Energy. Авторы статьи предлагают нашивать умную ткань на флаги, палатки, использовать её энергию для электролиза воды (альтернатива способу, предложенному в статье про шпинатную энергетику) и делать одежду со встроенной электроникой.

Проблема питания «носибельной» электроники тесно связана с экологичным производством электроэнергии как таковым. Конечно, это достаточно глобальная задача, но, как часто бывает, частные решения точечных проблем могут иметь далеко идущие последствия.

Гибкая и эффективная ткань, способная собирать энергию из окружающей среды для «электронной» одежды или обуви, возможно, является именно таким случаем. Вообще же применений «тканного электрогенератора» можно придумать очень много, и вопрос «а что ещё можно сделать с такой тканью?» даёт нам хороший повод перечитать научную фантастику первой половины прошлого века.