Био-пьезоэлектрическое устройство из семян мимозы работает как самозаряжающийся суперконденсатор с высокой эффективностью

Большинство генераторов энергии, используемых в настоящее время в электронной промышленности, основаны на неорганических пьезоэлектрических материалах, которые не являются биосовместимыми и способствуют загрязнению окружающей среды на Земле. В последние годы некоторые исследователи в области электроники и инженеры-химики пытаются разработать альтернативные устройства, которые могут генерировать электричество для медицинских имплантатов, носимой электроники, роботов и другой электроники, использующей безопасные, биосовместимые и нетоксичные органические материалы.

Исследователи из Центра материаловедения Индийского технологического института в Харагпуре недавно представили новое устройство на основе семян мимозы стыдливой, которое может служить как био-пьезоэлектрическим наногенератором, так и самозаряжающимся суперконденсатором. Их предложенное устройство, описанное в статье, опубликованной в журнале «Chemical Engineering Journal», показало высокую эффективность и меньшее негативное воздействие на окружающую среду.

«Это исследование было проведено из-за необходимости в биосовместимых, автономных энергетических системах для питания имплантируемых медицинских устройств (например, кардиостимуляторов, нейростимуляторов) и носимой электроники, — рассказал Tech Xplore профессор Бхану Бхусан Хатуа, старший автор статьи. – Существующие неорганические пьезоэлектрические материалы, такие как соединения на основе свинца [например, (Pb, Zr)TiO3, PbTiO3], представляют опасность с точки зрения токсичности, наносят вред окружающей среде и вызывают хирургические осложнения из-за того, что не разлагаются. Это вдохновило нас на изучение семян мимозы стыдливой (Mimosa pudica linn – MPL) — натурального, съедобного и доступного в изобилии ресурса — в качестве экологичной альтернативы».

Недавнее исследование, проведённое доктором Б. Б. Хатуа и его коллегами, преследовало три основные цели. Во-первых, исследователи намеревались разработать новый био-пьезоэлектрический наногенератор, который использует гидрогель, полученный из семян MPL, для сбора механической энергии, например, при надавливании пальцем.

Используя тот же гидрогель, исследователи также хотели создать самозаряжающийся суперконденсатор с электродами на основе RGO/NiZTO, который мог бы эффективно накапливать энергию, вырабатываемую наногенератором. Их конечной целью было объединить эти две функции (то есть сбор и хранение энергии) в одном биосовместимом устройстве, которое могло бы автономно работать внутри различной электроники, включая медицинские имплантаты и носимые устройства.

«Совместный эффект электроактивности и сложных преобразований в молекулярной структуре частиц порошка MPL при воздействии механического напряжения может быть использован для характеристики механизма выработки наноэнергии в устройстве MSPEG, — объяснил доктор Хатуа. – Порошок из семян MPL состоит из тубулина, гликозифлавонов, фенольного кетона, буфадиенолида, полисахаридов глюкуроноксилана (т. е. гемицеллюлозы в покрытосеменных растениях, состоящей из цепи ксилозы, замещённой глюкуроновой кислотой (часто 4-O-метилированной) и ацетильными группами) и других азотсодержащих биолигандов. Эти компоненты часто содержат группы −OH, которые связаны межмолекулярными/внутримолекулярными водородными связями и преобразуют механическое напряжение в электрическую энергию при деформации этих функциональных групп».

Основное преимущество нового устройства, разработанного доктором Хатуа и его коллегами, заключается в том, что оно основано на съедобных семенах MPL, а значит, не так токсично для окружающей среды, как используемые в настоящее время решения для сбора энергии на основе неорганических материалов. Несмотря на биосовместимость, устройство показало высокую энергоэффективность и эффективность преобразования энергии.

«В качестве пьезоэлектрического наногенератора энергии (MSPEG) наше устройство обеспечило пьезоэлектрический выход ~13,5 В и ~2,98 мкА, превзойдя многих конкурентов на биологической основе, — сказал доктор Хатуа. – Более того, биогидрогель MPL демонстрирует пьезоэлектрический коэффициент 24 пКл/Н и эффективность преобразования энергии 40,2%».

При работе в качестве суперконденсатора устройство, разработанное доктором Хатуа и его коллегами, показало хорошую циклическую стабильность, сохранив 87,5% своей ёмкости после 6000 циклов работы. Также было обнаружено, что его плотность энергии составляет 125,4 Вт·ч/кг при плотности мощности 1200 Вт/кг, и он способен автономно генерировать и накапливать напряжение даже при механическом воздействии.

«Наше устройство может обеспечить более безопасное и долговечное питание для имплантатов (например, кардиостимуляторов) без необходимости замены батарей, — сказал доктор Хатуа. — Оно также может способствовать разработке гибкой электроники для мониторинга здоровья или датчиков Интернета вещей, помогая снизить зависимость от токсичных материалов и продвигая системы замкнутого энергоснабжения».

В будущем новый наногенератор и суперконденсатор, разработанные этой исследовательской группой, можно будет усовершенствовать и протестировать в различных электронных устройствах. Поскольку гидрогель на основе семян MPL, на котором он основан, подвержен биологическому разложению, доктор Хатуа и его коллеги также планируют попытаться улучшить его пьезоэлектрические свойства, изменив его структуру.

«В наших следующих исследованиях мы сосредоточимся на масштабируемости экономически эффективных методов синтеза электроактивных материалов RGO/NiZTO, а также на разработанных устройствах MSPEG и SCS, их интеграции и тестировании в практических медицинских и носимых прототипах, — добавил доктор Хатуа. – Мы также изучим многофункциональность гибридных систем, сочетающих пьезоэлектрические, трибоэлектрические и солнечные источники энергии».

Источник: Tech Xplore