CP v2

Tag: Advanced Functional Materials

  • Pingvinų plunksnos įkvėpė plėvelę pastatams: vienu paviršiumi šildo, kitu vėsina ir taupo energiją

    Pingvinų plunksnos įkvėpė plėvelę pastatams: vienu paviršiumi šildo, kitu vėsina ir taupo energiją

    Dauguma pasyvių šiluminių dangų atlieka vieną aiškią funkciją: arba sugeria šilumą, arba ją atspindi. Tai veikia stabiliose sąlygose, tačiau mūsų klimato juostoje pastatas vasarą perkaista, o žiemą praranda šilumą, todėl vienakryptės dangos tampa kompromisu.

    Tyrėjai, įkvėpti pingvinų plunksnų sandaros, pasiūlė kitą logiką: medžiagą, kuri gali persijungti tarp šildymo ir vėsinimo režimų be variklių, jutiklių ar elektros. Idėja paremta daugiasluoksne biologija, kuri pingvinams padeda išgyventi ir šaltyje, ir intensyvioje saulėje.

    Medžiaga su dviem pusėmis

    Sukurta vadinamoji Januso plėvelė turi du skirtingai suprojektuotus paviršius. Viena pusė pritaikyta maksimaliai sugerti saulės energiją ir kelti paviršiaus temperatūrą, o kita skirta atspindėti saulės spinduliuotę ir efektyviai išspinduliuoti šilumą į dangų, taip vėsinant.

    Abu paviršiai padaryti superhidrofobiniai, todėl vanduo neužsilaiko, o susidarančio ledo procesas sulėtėja. Bandymuose fiksuota, kad ledo formavimasis gali vėluoti iki 812 sekundžių, o esant maždaug minus 6 laipsniams ir silpnai saulei ledas ištirpo per maždaug 17 minučių be papildomos energijos.

    Kaip veikia vanadžio dioksido jungiklis

    Pagrindinė technologijos dalis yra vanadžio dioksidas VO2, kuris ties maždaug 68 laipsnių riba staigiai pakeičia savybes. Žemesnėje temperatūroje jis labiau panašus į izoliatorių, tačiau įkaitęs pereina į metalui artimą laidžią būseną, o elektrinė varža sumažėja apie 10 000 kartų.

    VO2 integruotas į mikroskopines pluoštines struktūras polimero sluoksnyje. Temperatūrai pakilus, susidaro laidūs takai, kurie pakeičia medžiagos sąveiką su elektromagnetinėmis bangomis, todėl plėvelė gali tapti gerokai mažiau pralaidi mikrobangų ruožui.

    Ką rodo bandymai ir kur tai praverstų

    Šildančioji plėvelės pusė laboratorijoje sugerdavo apie 94,5 proc. į ją krentančios saulės energijos ir pakeldavo paviršiaus temperatūrą iki maždaug 73 laipsnių, tai yra apie 52 laipsniais virš aplinkos. Lauko bandymuose fiksuotas dar didesnis skirtumas, kai paviršius įkaito iki maždaug 87 laipsnių virš aplinkos.

    Vėsinanti pusė, turinti porėtą struktūrą su silicio dioksido dalelėmis, atspindėjo daugiau kaip 90 proc. saulės spinduliuotės ir išlaikė paviršių maždaug 4–12 laipsnių vėsesnį nei aplinka. Tai svarbu pastatams, nes mažina kondicionavimo poreikį karščio bangų metu.

    Tyrėjų vertinimu, pritaikius tokią dangą ant pastato atitvarų ir sezoniškai parenkant, kuri pusė atsukta į išorę, būtų galima sutaupyti apie 11 kilovatvalandžių vienam kvadratiniam metrui per metus. Praktikoje tai reikštų apčiuopiamą efektą dideliems fasadams ir stogams, ypač ten, kur šildymo ir vėsinimo sezonai ryškiai skiriasi.

    Vis dėlto technologija dar yra laboratorinės brandos stadijoje. Tolimesni žingsniai siejami su ilgaamžiškumo patikra realiomis oro sąlygomis, atsparumu ultravioletui, mechaniniam dėvėjimuisi ir gamybos mastelio didinimu, nes būtent tai dažniausiai lemia, ar inovacija iš prototipo tampa masiniu sprendimu.

  • Drėgmė, kuri maitina: 3D spausdintas nanogeneratorius žada perversmą dėvimoje elektronikoje

    Drėgmė, kuri maitina: 3D spausdintas nanogeneratorius žada perversmą dėvimoje elektronikoje

    Drėgmė – ne priešas, o energijos šaltinis

    Dėvimoji elektronika ir miniatiūriniai jutikliai ilgus metus kentėjo nuo paprastos problemos: didesnė drėgmė greitai „nusodina“ krūvį ir mažina įrenginių efektyvumą. Tai ypač aktualu sprendimams, kurie turi veikti prie žmogaus odos, kur natūraliai susidaro šiluma ir drėgmė.

    Naujas tyrimas, publikuotas mokslo žurnale „Advanced Functional Materials“, siūlo netikėtą kryptį: ne izoliuoti prietaisą nuo vandens, o drėgmę paversti jo darbo dalimi. Mokslininkai sukūrė 3D spausdintą nanogeneratorių, kurio galia didėja kylant santykinei oro drėgmei.

    Kaip veikia TENG ir kodėl čia svarbus 3D spausdinimas

    Tokio tipo įrenginiai vadinami triboelektriniais nanogeneratoriais (TENG). Jie generuoja elektrą, kai dvi skirtingos medžiagos periodiškai susiliečia ir atsiskiria, o dėl trinties bei krūvio persiskirstymo sukuriamas elektrinis signalas.

    Iki šiol TENG technologijos silpnoji vieta buvo drėgmė: maždaug nuo 60–70 proc. santykinės drėgmės daugelio prototipų našumas smarkiai krisdavo. Naujojo sprendimo esmė – naudoti itin hidrofilinę, drėgmę aktyviai pritraukiančią polimerinę medžiagą, kurią galima tiksliai formuoti LCD 3D spausdinimu.

    Polimeras, kuris „mėgsta“ vandenį

    Tyrėjai išbandė kelis akrilinių polimerų variantus su skirtingomis funkcinėmis grupėmis, o geriausius rezultatus parodė medžiaga su amidinėmis grupėmis. Tokia struktūra geba tvirtai „įkurdinti“ vandens molekules polimero tinkle, todėl drėgmė nebe veikia kaip laidus sluoksnis, kuris iškart išsklaidytų krūvį.

    Bandymuose prietaiso parametrai gerėjo didėjant drėgmei ir didžiausią našumą pasiekė prie maždaug 90 proc. santykinės drėgmės. Tai yra sąlygos, kurios realiame pasaulyje dažnos prie odos, sportuojant ar dirbant šiltesnėse, prastai vėdinamose patalpose.

    „Vietoje bandymų užrakinti įrenginį nuo aplinkos, mes pasirinkome padaryti aplinką jo pranašumu“, – sakė tyrėjų komandos atstovai, apibendrindami darbo logiką.

    Zwitterioninės medžiagos ir įspūdingi skaičiai

    Papildomą šuolį suteikė zwitterioninis komponentas – sulfobetaino metakrilatas, turintis ir teigiamą, ir neigiamą krūvį, bet išliekantis elektriškai neutralus. Toks priedas sustiprina medžiagos poliarizaciją ir padeda dar efektyviau „surišti“ drėgmę taip, kad ji didintų signalą, o ne kurtų nuotėkį.

    Optimizavus sudėtį, pranešama apie iki 802 voltų įtampą, 45,6 mikroampero srovę ir 48,4 vato kvadratiniam metrui galios tankį. Tyrime pabrėžiama, kad tai pasiekta be neorganinių užpildų, kurie dažnai apsunkina gamybą ir riboja spausdinimo tikslumą.

    Kartu nurodoma aiški riba: didinant joninių priedų kiekį iki 10 proc., našumas ima kristi, nes jonai formuoja sankaupas ir išauga laidumas, atsiranda nepageidaujamas krūvio nuotėkis. Kitaip tariant, lemiamas tampa ne tik pats priedas, bet ir preciziškai parinkta jo koncentracija.

    Ką tai gali pakeisti kasdienybėje

    Tokie nanogeneratoriai laikomi vienu realiausių kelių į elektroniką be baterijų, kai energija „nurenkama“ iš judesio, prisilietimų ar aplinkos. Jei technologija pasitvirtins už laboratorijos ribų, ji galėtų išplėsti dėvimų jutiklių, išmaniųjų tekstilės sprendimų ir medicininių stebėsenos priemonių galimybes, kur dabar dažnai riboja baterijų dydis, įkrovimas ir sandarinimas.

    Praktiškai tai reikštų įrenginius, kuriems drėgna oda ar drėgnesnė darbo aplinka nebėra problema, o veikiau sąlyga geresniam veikimui. Kitas svarbus aspektas – 3D spausdinimas: jis leidžia greitai kurti sudėtingas geometrijas ir taikyti sprendimą skirtingiems paviršiams bei formoms, kas dėvimai elektronikai yra kritiška.