211service.com
Spēka radīšana no sirds
Džordžijas Tehnoloģiju institūta pētnieki ir parādījuši, ka mazs, gandrīz neredzams nanovads var pārvērst žurkas ķermeņa pulsējošo, izliekto muskuļu enerģiju elektriskā strāvā. Viņu nanoģenerators kādreiz varētu novest pie medicīniskiem implantiem un sensoriem, ko darbina sirdsdarbība vai elpošana.
Strāvas vads: Vienu cinka oksīda nanovadu var piestiprināt pie žurkas sirds, kur tā rada elektrisko strāvu, kad tā liecas ar katru sitienu.
Cinka oksīda nanovadi parāda pjezoelektrisko efektu, ražojot elektrību, kad tie ir pakļauti mehāniskai spriedzei. Georgia Tech materiālu zinātnes un inženierzinātņu profesors Džuns Lins Vans un viņa grupa pirmo reizi demonstrēja šos nanovadu ģeneratorus 2005. gadā. Kopš tā laika viņi ir izgatavojuši ierīces, kas var izmantot skrienoša kāmja enerģiju un pieskaroties pirkstiem, kā arī ir apvienojuši savus pjezoelektriskos nanovadus ar saules baterijām.
Savā jaunākajā darbā, kas publicēts žurnālā Uzlaboti materiāli , Vanga komanda parāda, ka nanoģenerators darbojas dzīvā dzīvnieka iekšienē. Pētnieki uzklāja cinka oksīda nanovadu uz elastīga polimēra substrāta un iekapsulēja ierīci polimēra apvalkā, lai pasargātu to no ķermeņa šķidrumiem. Pēc tam tas tika piestiprināts pie žurkas diafragmas. Grauzēja elpošana izstiepja nanovadu, un ierīce ģenerēja četru pikoampēru strāvu pie diviem milivoltiem. Kad ierīce bija piestiprināta pie žurkas sirds, tā deva 30 pikoampērus pie trīs milivoltiem.
Cinka oksīda nanoģeneratori būtu ideāls enerģijas avots nano mēroga sensoriem, kas uzrauga asinsspiedienu vai glikozes līmeni un atklāj vēža biomarķierus. Tie var darboties ar zemu jaudas līmeni, kas ir aptuveni viens mikrovats, taču, lai tie būtu patiesi nano mēroga, tiem ir nepieciešams ilgs nano izmēra barošanas avots, nevis akumulators. Mūsu galvenais mērķis ir izveidot pašdarbināmas nanoierīces medicīniskiem nolūkiem, saka Vans.
Ierīču ģenerētās jaudas femtovatu skala ir pārāk zema, lai šobrīd būtu praktiska (jauda = strāva x spriegums). Bet tam drīz vajadzētu mainīties, saka Džans. Lai gan pētnieki ir izmēģinājuši tikai vienu nanovadu ierīci žurkas iekšpusē, viņi ir arī izveidojuši ierīci, kas integrē simtiem nanovadu masīvā. Šī ierīce, par kuru pētnieki nesen ziņoja žurnālā Dabas nanotehnoloģijas, nodrošina aptuveni 100 nanoampēru izejas strāvu pie 1,2 voltiem, radot 0,12 mikrovatus jaudu. Vangs saka, ka nākamais solis ir savienot šo augstākas jaudas nanoģeneratoru ar nano sensoru dzīvnieka iekšienē.
Ir labāki pjezoelektriskie materiāli nekā cinka oksīda nanovadi, un tie tiek apsvērti arī izmantošanai biomedicīnā. Visefektīvākais zināmais pjezoelektriskais materiāls ir PZT, svina, cirkonija un titāna savienojums. Tas ir 10 reizes efektīvāks nekā cinka oksīds, pārvēršot mehānisko spriegumu elektriskā strāvā, saka Maikls Makalpins , Prinstonas universitātes mašīnbūves profesors. Ievietojot PZT starp silikona gabaliem, viņš ir izgatavojis materiālu, kas var novākt 80 procentus no saliektās enerģijas. Tāpat kā Vans, viņš koncentrējas uz materiāla izmantošanu medicīnisko implantu darbināšanai.
McAlpine saka, ka materiāls nodrošina 10 nanovatus jaudu, piesitot cilvēkam pirkstu. Lielākas loksnes varētu radīt pietiekami daudz enerģijas, lai uzlādētu elektrokardiostimulatoru, taču materiāls vēl nav pārbaudīts ar dzīvniekiem. Šeit cinka oksīdam varētu būt priekšrocības salīdzinājumā ar PZT, jo tas ir bioloģiski saderīgs. PZT svinam būtu nepieciešams, lai ierīce būtu stingri iesaiņota silikonā vai citā bioloģiski saderīgā polimērā.
Tomēr lielākais izaicinājums abiem materiāliem būs lielākas jaudas iegūšana, saka McAlpine. Tas ir pārsteidzoši, ka viņi varēja implantēt šīs ierīces šajos dzīvniekos un iegūt strāvu, viņš saka. Bet mums joprojām ir jāiet tālu ar savām ierīcēm, lai iegūtu nozīmīgu jaudu.