Áramot termel az új nanoruha

Akár a nadrágunkba is beleszőhetőek lesznek azok a speciális, energiatermelésre képes mikroszálak, amelyeket nemrég mutattak be amerikai kutatók a Nature-ben. A nanotechnológiai eljárással készült új "fonál" idővel alkalmas lehet arra, hogy hordozható elektromos eszközeinket mi magunk töltsük fel a működésükhöz szükséges energiával, egyszerűen azzal, hogy viseljük a velük átszőtt ruhát.

Fantáziarajz az energiaszálak alapját képező nanogenerátorokról

Amikor az 1990-es évek végén világszerte elburjánzott a hordozható elektromos készülékek használata, egyre több kutatót kezdett foglalkoztatni a gondolat, hogyan lehetne megoldani a kicsiny eszközök energiaellátását alternatív módszerekkel. Az amerikai Massachusetts Technológiai Intézetben (MIT) például olyan cipőt fejlesztettek ki, amely a beleépített speciális kristályok révén lépés közben fejlesztett elektromos áramot. Más kutatóintézetekben parányi generátorokat dolgoztak ki olyan mikroelektro-mechanikai rendszerek (MEMS) működtetéséhez, amelyek például az autók légzsákjának gyorsulásérzékelőjében vagy a tintasugaras nyomtatókban találhatók.

A mikrotartományok meghódítása után a figyelem a még kisebb dimenziók, a nanovilág felé fordult. Laikus számára a mikro- vagy nanoméret egyaránt érzékelhetetlenül kicsinynek tűnhet, ám a mikrovilágra kidolgozott ötletek nem ültethetők át változtatás nélkül a nanoszerkezetekre - ez ugyanis már az atomi méretek szintje, a milliméter milliomod része.

A "láthatatlan" energiaforrások megalkotásához új elgondolásokra volt szükség. Ezek egyikeként jött létre a Nature-ben most bemutatott speciális szálanyag is, amely képes arra, hogy mechanikai energiát elektromos energiává alakítson. A kutatók reménye szerint ennek segítségével idővel mi magunk tölthetjük fel kisméretű elektromos készülékeinket anélkül, hogy a hálózati áramforrásra kellene hagyatkoznunk.

Nanogenerátorok

Az energiatermelő szálak működését azon nanogenerátorok továbbfejlesztett változata biztosítja, melyeket még 2007 tavaszán fejlesztett ki a Georgia Technológia Intézetben Zhong Lin Wang professzor és csapata. A nanogenerátor valójában egy egyszerű fizikai jelenség, az ún. piezoelektromos hatás alapján üzemel. Ez annyit jelent, hogy bizonyos nemfémes anyagok rendelkeznek azzal a különleges tulajdonsággal, hogy mechanikus feszültség (például összenyomás) hatására felszínükön elektromos töltés jelenik meg.

Zhong Lin Wang professzor kezében tartja az energiatermelő szál prototípusát

A kutatók hosszas kísérletezéssel fejlesztették ki azokat a nanotechnológiai módszereket, amelyekkel szinte atomról-atomra "szerelték össze" az első nanogenerátort. Először hatoldalú hasáb alakú, cink-oxid (ZnO) nanodrótokat növesztettek sűrűn egymás mellé egy szögletes alaplapra. Azért választották a generátor fő részeként a cink-oxidot, mert ennek az anyagnak megvan az a ritka képessége, hogy piezoelektromos tulajdonsága mellett egyben félvezető is. A felfelé meredező nanodrótok fölé egy másik szögletes lapot: platinabevonatú, barázdált felületű szilícium-elektródát helyeztek el.

Amint mozgás vagy erőhatás következtében a szerkezet oldalvást elmozdul, a nanodrótok meg-meghajlanak az elektród alatt, és piezoelektromos tulajdonságuk következtében elektromos töltéseket produkálnak. A kutatók 6 négyzetmilliméter nagyságú nanogenerátorral 10 millivolt feszültégű és 800 nanoamper erősségű áramot tudtak előállítani.

Kezdetben kerámia-alaplapokra növesztették a cink-oxid drótokat, de hamarosan más fundamentum után néztek, hiszen ezzel a nehéz, merev és törékeny anyaggal nem valósítható meg az a fontos követelmény, hogy hajlékony, összehajtogatható energiaforrásokat alkossanak. Valószínűleg akkor fogant meg a most bemutatott mikroszál ötlete, amikor a későbbi kísérletek során nyilvánvalóvá vált, hogy számos olyan flexibilis polimer létezik, amely alkalmas arra, hogy a nanogenerátorok alapját képezze. Alapelve megegyezik az előzőekkel, szerkezeti felépítésében azonban kissé furfangosabb.

Az energiaszál

A hajlékony, ruhaanyagba is beleágyazható, energiatermelő "fonalak" bázisának kevlár-szálakat választottak a kutatók. Ezek magjait előbb egyenletes rétegben bevonják cink-oxiddal, majd fél napra speciális folyadékba mártják. Ekkor alakulnak ki körbe-körbe a felületükön (sugárirányban), sűrűn és egyenletesen a nanogenerátor alapját képező cink-oxid drótok. A kész szerkezetek úgy néznek ki, mint egy regiment parányi női hajkefe. Minden másodikat vékony aranyréteggel vonják be, és párosával összerendezve egymás mellé sorakoztatják őket.

Míg az eredeti nanogenerátorokban a barázdált felületű platinalap szolgált elektródaként, itt az arannyal bevont "hajkefék" látják el ezt a feladatot. Amint mozgás hatására egymáshoz dörzsölődnek és meghajlanak a cink-oxid drótok, a piezoelektromos hatás életbe lép, és elektromos áram keletkezik. A kutató elméleti számításai szerint egy négyzetméternyi, ilyen szálakból szőtt szövet akár 80 milliwatt elektromos teljesítmény leadására is alkalmas lehet. (Összehasonlításként: egy mai mobiltelefon szokásos idő alatti feltöltése során átlagosan 2-5 W teljesítmény szükséges. Üzemeltetéséhez ennél kevesebb is elég.) 

Az egymáshoz dörzsölődő, aranyozott és aranyozás nélküli cink-oxid drótok közelről

A szálak gyakorlati alkalmazásáig számos megoldandó feladat áll még a kutatók előtt. Gondosabban ki kell dolgozni azt, hogy minden nanodrót egyidejűleg és folyamatosan részt vegyen az áramtermelésben, és hatékonyabbá kell tenni a keletkezett töltések elvezetését. Fontos kérdés az élettartam növelése, ami jelenleg mindössze ötven órára rúg. A kutatók a szálak gyárthatóságával kapcsolatban a leginkább derűlátóak, hiszen a nanogenerátorok előállítása nem igényel magas hőmérsékletet, így költséges folyamatot sem.

A kutatók szerint további előny, hogy a nanogenerátor nemcsak a testmozgásból származó mechanikai, hanem a véráramlásból keletkező hidraulikus vagy hanghullámok keltette energiát is képes lenne elektromos energiává alakítani. Így idővel nemcsak a testünkön kívül hordott eszközök, hanem a beleültetett bioszenzorok energiaellátását is biztosíthatná.

Nanotechnológia Innovációs Központ Székesfehérváron

Vizi E. Szilveszter, a Magyar Tudományos Akadémia elnöke és Warvasovszky Tihamér, Székesfehérvár polgármestere sajtótájékoztatót tartottak február 14-én a közösen kialakítandó Nanotechnológia Innovációs Központ létrehozásáról. A leendő Alba Innovációs Park területén, várhatóan 2009-től három laboratórium kezdi meg a munkát.

A központ tudományos és technológiai támogatást kíván nyújtani - elsősorban a régióbeli - vállalkozások kutatás-fejlesztési tevékenységéhez. A tervek szerint különös figyelmet kap az újfajta tulajdonságokkal bíró műanyagok elemzése és fejlesztése, speciális felületvédő és -módosító rétegek kialakítása különböző alapanyagokon (fémek, üvegek, kerámiák, stb.) illetve a kapcsolódó műszerek és technológiák fejlesztése.