Se vam zdi nenavadno, da bi umetne liste lahko uporabljali kot naprave za generiranje električne energije? Britansko-kitajski raziskovalni skupini je uspelo prav to. V nedavni raziskavi so izdelali umetne liste rastline, ki izkoriščajo energijo vetra in dežnih kapljic za napajanje svetlečih diod. Ugotovitve so objavili v reviji Sustainable Chemistry and Engineering.

Majhne pametne naprave se vse več uporabljajo v medicini, pametnih domovih in spremljanju vremenskih razmer. Trenutno moramo takšne naprave napajati prek električnega omrežja ali polniti iz baterij. Oba načina napajanja lahko negativno vplivata na okolje, predvsem če se želimo oddaljiti od uporabe litij-ionskih baterij. Raziskovalke in raziskovalci so razvili dva nanogeneratorja, ki sta prvič dosegla visoke napetosti na osnovi triboelektričnega učinka. Triboelektrični učinek je pojav prenosa električnega naboja med dvema materialoma, ko se dotakneta ali drsita drug ob drugem.

V umetnem listu so združili dva generatorja iz tekstilnih materialov – prvega na osnovi dotika dveh materialov in drugega na osnovi padca vodnih kapljic. Triboelektrični generator, ki deluje na dotik, je podoben bateriji. Materiala, ki imata različen elektrokemijski potencial, sta fizično ločena. Prvi je elektronegativno nabit teflonski, drugi pa elektropozitivno nabit vlaknat tekstilni material na osnovi najlona. Veter povzroči, da se materiala drgneta, kar med njima ustvari potencialno razliko, ki požene električni tok.  

Drugi nanogenerator, ki so ga uporabili v umetnem listu, deluje na osnovi padca vodnih kapljic. Sestavljen je iz triboelektričnega nanogeneratorja, ki mu je dodan en sloj teflonskega materiala. Udarci vodnih kapljic ob teflonsko površino in polzenje po njej povzročijo triboelektrično akumuliranje negativnega naboja, kar inducira pozitivni naboj na vodni površini. Kapljica nato spolzi do prevodne kovine, ki je povezana s pozitivno nabitim najlonskim materialom na spodnji strani lista. Zaradi razlike v gostoti naboja na kapljici in najlonu steče tok.

Raziskovalna skupina je pri razvoju materialov posnemala hidrofobno površino lotosovega lista. Oba uporabljena materiala, teflon in najlon, so obdelali z argonovo plazmo, kar je povzročilo spremembe v kemijski strukturi. Tako jim je uspelo povečati hidrofobnost obeh materialov, kar se je odražalo v izboljšani izhodni napetosti in toku, ki ga umetni list proizvede. Izhodno napetost naprave jim je uspelo povečati na 252 voltov, kar je devetkratno povečanje izhodne napetosti in toka glede na neobdelan material.

Po optimizacijah je raziskovalna skupina oba nanogeneratorja združila v obliko lista in iz teh izdelala umetno rastlino z desetimi LED-svetilkami. Zgornji del lista izkorišča padec dežnih kapljic, spodnji pa proizvede električno energijo ob kontaktu teflonskega in najlonskega materiala zaradi vetra. Rastlino so nato izpostavili različnim vremenskim vplivom. Raziskovalci in raziskovalke so ugotovili, da je generirana električna energija nižja kot pri laboratorijskih eksperimentih. Raziskovalna skupina predvideva, da bi lahko podobne naprave uporabili kot nadomestek litij-ionskih baterij za napajanje majhnih elektronskih naprav, kjer ni električnega omrežja. 

Električni nanogenerator bi imel vajenec Luka.

Vir: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.3c03620

Vir slik: Kolaž slik z licenco Creative Commons