Одной из ключевых задач современной науки является поиск альтернативных источников энергии, которые могут обеспечить автономную работу сенсоров, нанороботов, а также носимой и имплантируемой электроники. Наиболее привлекательным направлением в этой области на данный момент является разработка устройств, способных к эффективному сбору и преобразованию энергии окружающей среды и тела человека, выступающих в качестве постоянных поставщиков энергии в виде механических вибраций и деформаций окружающей среды.

По оценке ученых, плотность генерируемой энергии таких устройств не ограничена объемом самого устройства, как это наблюдается для традиционного устройства хранения энергии, например, микробатарей и суперконденсаторов. Напротив, переход к наноразмерным структурам позволяет эффективно преобразовывать даже наноразмерные деформации и вибрации в электрическую энергию благодаря эффектам пьезоэлектричества.

«За последние 15 лет достигнут значительный прогресс в разработке наногенераторов, однако поиск подходящих материалов, способных эффективно преобразовывать механическую энергию в электрическую и обладающих при этом высокими прочностными и упругими свойствами остается актуальной задачей на сегодняшний день», – рассказала доцент кафедры нанотехнологий и микросистемной техники ИНЭП ЮФУ Марина Ильина.

Работая над исследованием «Дефекты пиррольного типа как причина пьезоэлектрического эффекта в легированных азотом углеродных нанотрубках» под руководством Марины Ильиной ученые установили причину аномального пьезоэлектрического эффекта в углеродных нанотрубках (УНТ), которые в классическом представлении не обладают пьезоэлектрическими свойствами ввиду их центросимметричной структуры.

В ходе работы специалисты ИНЭП ЮФУ впервые установили, что допированые азотом углеродные нанотрубки проявляют аномальные пьезоэлектрические свойства, то есть на их поверхности возникают электрические заряды под действием внешних деформаций, что может быть использовано при разработке энергоэффективных наногенераторов.

Также был установлен механизм возникновения пьезоэлектрического эффекта в углеродных нанотрубках, связанный с формированием дефектов пиррольного типа и бамбукообразных «перемычек» в полости нанотрубки.

«Показано, что величина пьезоэлектрического модуля УНТ достигает до 100 пм/В, что существенно превосходит значения других пьезоэлектрических наноструктур», - добавила Марина Ильина.

Полученные результаты исследования позволяют по-новому взглянуть на применение УНТ для разработки энергоэффективных пьезоэлектрических наногенераторов и таких устройств наносистемной техники, как сенсоров деформации, нанопереключателей и элементов памяти.

«Данные устройства могут стать источниками энергии для работы современных электронных устройств (телефонов, часов, ноутбуков и т.д.). Кроме того, есть вероятность, что такие источники энергии заинтересуют ведущих производителей портативной и носимой электроники», - отметила Марина Ильина.

Первые результаты исследования, проведенного в рамках проекта РФФИ и государственного задания Минобрнауки России опубликованы в журнале Carbon. Данное исследование также продолжается в рамках проекта РНФ.