Самозареждащата се електроника става реалност • Александър Самардак • Научни новини за Elements
Американски учени показаха възможността за използване на наноразмерни пиезоелектрици за събиране на енергия от вибрации от различно естество (звукови вълни, вибрации по време на движение) и след това да я преобразуват в електрическа енергия, като ефективността на преобразуване се увеличава 2-3 пъти. Това откритие ще позволи производството на самозареждащи се мобилни устройства, захранвани от „зелено“ електричество.
И така, ключовият елемент на новата технология са пиезоелектриците - вещества, способни да генерират електричество под въздействието на механично напрежение или деформация (директен пиезоелектричен ефект, фиг. 1) и, обратно, да променят своите физически размери (разширяване или свиване), когато през тях преминава електрически ток (обратен ефект). Най-често това са кварцови кристали или керамика.
Пиезоелектриците са открити през втората половина на 19 век, но намират своето приложение едва по време на Първата световна война, когато на тяхна основа са разработени сонари (от английски и - звукова навигация и определяне на разстояние) за откриване на подводници. Успешното изпълнение на този проект доведе до нови приложения на пиезоелектриците. Така се създават глави за грамофони – първите звуковъзпроизвеждащи устройства, пиезоелектрически запалки, кварцови часовници и микрофони.
Трябва да се отбележи, че пиезоелектричният ефект, първоначално открит в естествени материали като кварц, турмалин, Рошелова сол и др., е доста слаб. Поради тази причина са синтезирани поликристални фероелектрични керамични материали с подобрени свойства, като бариев титанат BaTiO3 и оловен цирконат титанат PZT (съкращение на формулата Pb[ZrxTi1-x]O3 0 2000 V/mm), което води досиметрия в кристала (фиг. 2.2).
В пиезокристалите зарядите с различни знаци образуват електрически дипол. Няколко близки дипола образуват така наречените домейни на Вайс. До установяване на полярността домейните са ориентирани по произволен начин (фиг. 3.1). Под действието на електрическо поле и висока температура кристалът се разширява по посока на полето и се свива по перпендикулярната ос. Това води до подравняване на диполите по приложеното електрическо поле (фиг. 3.2).
След изключване на полето и охлаждане, пиезокерамиката има остатъчна поляризация (фиг. 3.3). Ако електрическо поле се приложи към кристал с регулирана полярност, домейните на Вайс започват да се подреждат по полето, като степента на подравняване зависи от приложеното електрическо напрежение. В резултат на това има промяна в размерите на пиезоелектричния материал.
При механичен натиск симетрията на разпределението на заряда се нарушава, което води до потенциална разлика на кристалните повърхности. Например, кварц с обем 1 cm 3, когато се приложи сила от 2 kN, може да произведе напрежение до 12 500 V.
Сега да се върнем към работата на американските учени. Използвайки динамичен модел, изследователите показаха, че в рамките на тесен диапазон от геометрични размери, пиезоелектричните наноструктури могат да преобразуват енергия с много висока ефективност. В същото време те взеха предвид не само пиезоелектричния ефект, но и флексоелектричния ефект (появата на електрическо напрежение по време на огъване и усукване на пиезоелектричен материал; вижте за флексоелектричеството тук), което има допълнителен принос към резултатната ефективност на пиезоелектричните устройства.
Флексоелектричният ефект се проявява най-силно на нанониво: в този случай той е три пъти по-ефективен отпиезоелектричен ефект. Това се отнася предимно за PZT материали, направени под формата на наноконзоли (нанометрови греди с една опорна точка, фиг. 4) с дебелина 20–23 nm. При такива условия наноконзолата е много гъвкава и чувствителна към външни влияния. Всяко леко колебание на въздуха или вибрации, предавани през опорната точка, привеждат конзолата в движение, в резултат на което в нея се появяват както пиезоелектричество, така и флексоелектричество. Изчисленията показват, че флексоелектричният ефект повишава ефективността на събиране на енергия на наноконзолата няколко пъти. В резултат на това ефективността на преобразуване на енергия се увеличава със 100% в сравнение с конвенционалната пиезокерамика, а при някои конзолни форми увеличението може да достигне дори 200%.
За повече информация относно флексоелектричния ефект в PZT керамиката вижтеWenhui Ma, L. Eric Cross. Флексоелектричен ефект в керамичен оловен цирконат титанат //Appl. Phys. Lett.86 072905 (2005).