Самозарядная электроника становится реальностью

Рис. 1. Прямой пьезоэлектрический эффект. Слева — механическое напряжение отсутствует, электрический заряд на поверхностях не возникает. В центре — растяжение кристалла, возникает заряд. Справа — сжатие кристалла, изменяется полярность заряда. Рис. с сайта www.bostonpiezooptics.com

Американские ученые показали возможность использования наноразмерных пьезоэлектриков для сбора энергии колебаний разной природы (звуковые волны, вибрации при движении) и последующего преобразования ее в электрическую, причем эффективность преобразования возрастает в 2-3 раза. Это открытие позволит производить самозарядные мобильные устройства, работающие на «зеленом» электричестве.

Представьте себе мобильный телефон, не требующий подзарядки. Такое чудо техники будет работать от энергии звуковых волн, собираемых пьезоэлектрическими кристаллами в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса. Разработка подобных устройств стала реальностью благодаря теоретической работе ученых из Хьюстонского и Техасского университетов, опубликованной в престижном журнале Physical Review B. Оказывается, на наноуровне свойства пьезоэлектриков могут значительно изменяться, обретая новые интересные особенности. В частности, в условиях наномира существенно возрастает эффективность выработки электрического тока некоторыми типами пьезоэлектриков: при определенных нанометровых толщинах пьезоэлектрические материалы дают прирост электропроизводительности в 2–3 раза по сравнению с макро- и микроскопическими пьезогенераторами.

Авторы статьи полагают, что их открытие найдет применение в низкоэнергопотребляемых мобильных устройствах (сотовых телефонах, карманных компьютерах, ноутбуках) и в целом ряде других устройств — не только гражданского, но и военного назначения. В частности, подобной технологией заинтересовалось американское оборонное агентство DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency). На основе таких пьезоэлектрических устройств оно планирует создать самозарядные детекторы взрывчатки, работающие на энергии, извлеченной из вибраций при движении солдата. Для этого достаточно встроить пьезоэлектрическое устройство в каблук ботинка, и можно забыть о недолговечных батареях питания.

Итак, ключевым элементом новой технологии являются пьезоэлектрики — вещества, способные генерировать электричество под действием механического напряжения или деформации (прямой пьезоэлектрический эффект, рис. 1) и, наоборот, изменяющие свои физические размеры (расширяющиеся или сжимающиеся) при пропускании сквозь них электрического тока (обратный эффект). Чаще всего это кристаллы кварца либо керамика.

Пьезоэлектрики были открыты еще во второй половине XIX века, но нашли свое применение только в годы Первой мировой войны, когда на их основе были разработаны сонары (от англ. so[und] na[vigation] and r[anging] — звуковая навигация и определение дальности) для обнаружения подводных лодок. Успешная реализация этого проекта привела к новым применениям пьезоэлектриков. Так были созданы головки для патефонов — первых звукопроигрывающих устройств, пьезоэлектрические зажигалки, кварцевые часы и микрофоны.

Существуют и не совсем обычные применения пьезоэлектриков. Например, в Европе есть несколько ночных клубов, в танцпол которых встроены пьезоэлектрические генераторы, преобразующие танцевальные вибрации в электричество, которого достаточно для питания осветительных ламп, так как каждый танцор генерирует 5–10 Ватт мощности (см. видеоролик Sustainable Dance Club). Подобная технология применяется и в одном из фитнес-залов Гонконга, где часто проходят тренировки по шейпингу, боксу и бодибилдингу. Уже создано несколько так называемых «эко-клубов», обеспечивающих себя электричеством на 60% за счет пьезоэлектриков, вмонтированных в пол и в барную стойку. Еще дальше пошли в Израиле. В январе 2009 года там стартует пробный стометровый участок дороги со встроенными под асфальт пьезокристаллами. Израильские инженеры из фирмы Innowattech планируют получить до 40 киловатт мощности при четырехполосном движении (см. видео).

Рис. 2. Кристаллическая решетка PZT: (1) до и (2) после установления полярности. Рис. с сайта www.physikinstrumente.com

Следует отметить, что пьезоэлектрический эффект, первоначально обнаруженный в природных материалах, таких как кварц, турмалин, Сегнетова соль и т. д., довольно слабый. По этой причине были синтезированы поликристаллические сегнетоэлектрические керамические материалы с улучшенными свойствами, такие как титанат бария BaTiO₃ и цирконат-титанат свинца PZT (аббревиатура формулы Pb[Zr_xTi_1-x]O₃ 0 < x < 1), см. рис. 2.1.

В PZT-кристалле отрицательные и положительные электрические заряды разделены, но при этом они распределены в объеме кристалла симметрично, что делает его электрически нейтральным. Чтобы подобная керамика стала пьезоэлектриком, необходимо «отрегулировать» полярность зарядов в кристаллической решетке. Для этого сквозь нагреваемую керамику пропускают сильное электрическое поле (> 2000 В/мм), которое приводит к нарушению симметрии в кристалле (рис. 2.2).

В пьезокристаллах заряды разных знаков формируют электрический диполь. Несколько близлежащих диполей формируют так называемые домены Вейса (Weiss domains). До установления полярности домены ориентированы произвольным образом (рис. 3.1). Под действием электрического поля и высокой температуры кристалл расширяется в направлении поля и сжимается по перпендикулярной оси. Это приводит к выстраиванию диполей вдоль приложенного электрического поля (рис. 3.2).

После выключения поля и остывания пьезокерамика обладает остаточной поляризацией (рис. 3.3). Если к кристаллу с отрегулированной полярностью приложить электрическое поле, домены Вейса начинают выравниваться вдоль поля, причем степень выравнивания зависит от приложенного электрического напряжения. В результате возникает изменение размеров пьезоэлектрического материала.

При механическом давлении симметрия распределения зарядов нарушается, приводя к разности потенциалов на поверхностях кристалла. Например, кварц объемом 1 см³ при приложении силы 2 кН может произвести напряжение до 12500 В.

Рис. 3. Электрические диполи в доменах Вейса. (1) неполяризованная сегнетоэлектрическая керамика, (2) в процессе и (3) после установления полярности (пьезоэлектрическая керамика). Рис. с сайта www.physikinstrumente.com

Теперь вернемся к работе американских ученых. Используя динамическую модель, исследователи показали, что в узком диапазоне геометрических размеров пьезоэлектрические наноструктуры могут преобразовывать энергию с очень большой эффективностью. При этом они учитывали не только пьезоэлектрический, но и флексоэлектрический эффект (появление электрического напряжения при сгибании и кручении пьезоэлектрика; о флексоэлектричестве см. здесь), который вносит дополнительный вклад в результирующую эффективность пьезоэлектрических устройств.

Рис. 4. Модель нанокантилевера, проявляющего флексоэлектрические свойства. Рис. из обсуждаемой статьи

Наиболее сильно флексоэлектрический эффект проявляет себя на наноуровне: в этом случае он в три раза превышает по эффективности пьезоэлектрический эффект. Это относится прежде всего к PZT-материалам, выполненным в виде нанокантилеверов (балок нанометровых размеров с одной точкой опоры, рис. 4) толщиной в пределах 20–23 нм. При таких условиях нанокантилевер очень гибок и чувствителен к внешнему воздействию. Любое незначительное колебание воздуха либо вибрации, передающиеся через точку опоры, приводят кантилевер в движение, в результате чего в нём возникают как пьезо-, так и флексоэлектричество. Расчеты показали, что флексоэлектрический эффект в несколько раз увеличивает эффективность сбора энергии нанокантилевером. В результате эффективность преобразования энергии увеличивается на 100% по сравнению с обычной пьезокерамикой, а при определенных формах кантилеверов увеличение может даже достигать 200%.

Авторы подчеркивают также важность геометрических размеров промоделированных пьезоэлектрических устройств, так как материалы с толщиной в несколько раз ниже или выше 20-23 нм теряют способность к эффективной генерации энергии, полученной из внешней среды. При этом критическим параметром нанокантилевера является только его толщина. Длина и ширина подбираются исходя из свойств используемого пьезоэлектрического материала. Так что, отмечают авторы, экспериментаторам будет еще над чем поработать.

Для создания работающего устройства по сбору энергии достаточно в цепь с пьезоэлектрическим нанокантилевером поместить аккумуляторную батарею. И вот тогда множество таких сборщиков энергии можно будет вмонтировать в самозарядный сотовый телефон, который никогда не отключится!

Источник: M. S. Majdoub, P. Sharma, T. Çağin. Dramatic enhancement in energy harvesting for a narrow range of dimensions in piezoelectric nanostructures (PDF, 200 Кб) // Physical Review B, 78, 121407 (2008).

Более подробно о флексоэлектрическом эффекте в PZT-керамике можно прочитать здесь:
Wenhui Ma, L. Eric Cross. Flexoelectric effect in ceramic lead zirconate titanate // Appl. Phys. Lett. 86 072905 (2005).

Александр Самардак