Для большинства людей статическое электричество - это слегка болезненная неприятность. Тем не менее, инженеры в последние годы работают над тем, чтобы использовать это, казалось бы, случайное явление для дешевого и простого производства небольшого количества электроэнергии.
Большая часть статического электричества является продуктом «трибоэлектрического эффекта», который возникает, когда два материала вступают в контакт и электроны торгуются между ними. Когда материалы раздвигаются, возникает тенденция к дисбалансу электронов, причем некоторые атомы материалов получают дополнительные электроны, чем другие.
Этот дисбаланс создает электрический заряд на материалах, и атомы материалов стремятся вернуться к нейтральному заряду, что означает, что электричество было рождено. Удар, который вы испытываете при прикосновении к дверной ручке после ходьбы по плюшевому ковру, состоит в том, что атомы вашего тела разряжают лишние электроны, которые они собрали с ковра, чтобы они могли вернуться к нейтральному заряду.
Трибоэлектричество непредсказуемо, но инженеры в последние несколько лет создавали инновационные способы раскрытия его потенциала - от электродов в автомобильных шинах до деревянных досок, которые создают статическое напряжение при наступлении. Одним из пионеров в этой области был инженер Технологического института Джорджии Чжун Линь Ван, который создал трибоэлектрические генераторы из самых разнообразных материалов, в том числе ультратонких полимеров, которые могли бы служить сенсорными экранами, тканями и даже переработанными бутылками содовой.
«Для этой цели вы можете использовать практически любой материал», - говорит Ван. Для своего последнего трибоэлектрического создания Ван достиг материала, который мало кто будет ассоциировать с электричеством вообще - бумаги. В детстве Ван говорит, что он играл со сложными творениями, сделанными из резки и складывания бумаги. Это восточноазиатское искусство, которое насчитывает тысячи лет, называется «киригами», что в переводе означает «вырезать из бумаги» (оно тесно связано с более известным «оригами», что означает складывание бумаги).
«Вероятно, это самый дешевый материал [возможный], - говорит Ван, почему он выбрал бумагу, - и это биоразлагаемый и безопасный материал, который мы используем каждый день».
Ван и его команда с помощью лазеров разрезали наждачную бумагу на прямоугольники и покрывали их тонкими слоями золота и других проводящих материалов. Затем они собрали прямоугольники в трехмерные ромбы. Эти ромбы, которые могут поместиться в ладони и сложить для хранения в кошельке или кармане, генерируют электричество, когда человек нажимает на них пальцами. Это приводит проводящие слои в контакт друг с другом, создавая дисбаланс электронов, который вызывает статический заряд. По словам Вана, многократное нажатие на бумажное устройство в течение нескольких минут может создать около 1 вольт энергии, чего достаточно для зарядки часов, беспроводного пульта дистанционного управления или даже небольшого медицинского устройства в течение нескольких минут в чрезвычайной ситуации.
Использование Ван разрезанной решетчатой структуры внутри ромба было «умным подходом к увеличению площади поверхности для трибоэлектрической генерации», говорит инженер Мичиганского университета Макс Штейн, который использовал киригами для создания трехмерных солнечных панелей, которые могут захватывать больше света, чем Солнце движется в небе. Инженер-электрик из Колумбийского университета Джон Кимиссис, который, как и Штейн, не принимал участия в этом исследовании, также высоко оценил «умный дизайн Вана для интегрированной структуры производства и хранения энергии».
Ван, у которого есть патент на это устройство, надеется, что через несколько лет он разовьется, чтобы быть потенциально проданным в качестве недорогого одноразового зарядного устройства или, что еще более важно, в качестве инструмента для обучения детей тому, как работает электричество.
«Они могут генерировать энергию и зажигать свет», - говорит Ван о потенциале. «Все эти хорошие вещи они могут сделать с простой структурой».
Бумажное зарядное устройство описано в недавнем выпуске журнала ACS Nano.
