Группа исследователей из NIMS (Национального института материаловедения), Университета Хоккайдо и Фармацевтического университета Мэйдзи разработала гелевый электрет, способный стабильно удерживать большой электростатический заряд. Затем команда объединила этот гель с очень гибкими электродами, чтобы создать датчик, способный воспринимать низкочастотные вибрации (например, вибрации, создаваемые движением человека) и преобразовывать их в сигналы выходного напряжения. Это устройство потенциально может быть использовано в качестве портативного медицинского датчика.
Исследование опубликовано в журнале Angewandte Chemie International Edition.
В последние годы растет интерес к разработке мягких, легких, генерирующих энергию материалов для использования в мягкой электронике, предназначенной для различных целей, таких как здравоохранение и робототехника. Электретные материалы, способные стабильно сохранять электростатический заряд, могут быть использованы для создания вибрационных устройств без внешних источников питания.
NIMS возглавляет усилия по разработке низколетучей жидкости алкил-π при комнатной температуре, состоящей из π-сопряженного красителя и гибких, но разветвленных алкильных цепей (тип углеводородного соединения). Жидкости алкил-π демонстрируют превосходные свойства сохранения заряда, могут наноситься на другие материалы (например, посредством окраски и пропитки) и легко поддаются формованию.
Однако когда эти жидкости были объединены с электродами для создания гибких устройств, их оказалось трудно иммобилизовать и герметизировать, что привело к проблемам с утечками. Более того, необходимо было увеличить способность алкил-π-жидкостей удерживать электростатический заряд, чтобы улучшить их возможности выработки электроэнергии.
Исследовательской группе недавно удалось создать гель алкил-π, добавив небольшое количество низкомолекулярного гелеобразователя в жидкость алкил-π. Было обнаружено, что модуль упругости этого геля в 40 миллионов раз превышает модуль упругости его жидкого аналога, и его можно упростить путем фиксации и герметизации.
Более того, гель-электрет, полученный путем зарядки этого геля, достиг 24% увеличения удержания заряда по сравнению с основным материалом (т.е. алкил-π-жидкостью) благодаря улучшенному удержанию электростатических зарядов внутри геля. Затем команда объединила гибкие электроды с гелем-электретом, чтобы создать датчик вибрации. Этот датчик был способен воспринимать вибрации с частотой всего 17 Гц и преобразовывать их в выходное напряжение 600 мВ, что на 83% выше, чем напряжение, генерируемое датчиком на основе жидкого электрета алкил-π.
В будущих исследованиях команда намерена разработать носимые датчики, способные реагировать на тонкие вибрации и различные деформационные деформации за счет дальнейшего улучшения характеристик зарядных электретов (т.е. зарядной емкости и срока службы заряда) и прочности алкил-π-геля. Кроме того, поскольку этот гель подлежит вторичной переработке и повторному использованию в качестве материала для датчиков вибрации, ожидается, что его использование будет способствовать развитию экономики замкнутого цикла.