Drobné elektrické generátory urýchlia vývoj / Nano Magazín
Drobné elektrické generátory: energia z pohybu
Drobné elektrické generátory premieňajú mechanickú energiu na elektrickú a otvárajú dvere k vývoju samonapájaných senzorov a nositeľnej elektroniky. V článku sa dozviete, ako fungujú, kde sa dajú využiť a aký pokrok prinášajú vo výskume nanotechnológií.
Drobné obväzy, ktoré generujú elektrinu v reakcii na pohyb, by mohli urýchliť hojenie rán a regeneráciu tkaniva. Vedci z Taiwanu zhodnotili najnovšie pokroky a potenciálne aplikácie technológie hojenia rán v časopise Science and Technology of Advanced Materials.
Prirodzený proces hojenia rán zahŕňa komplexné interakcie medzi iónmi, bunkami, krvnými cievami, génmi a imunitným systémom, pričom každý hráč je spúšťaný sledom molekulárnych udalostí. Neoddeliteľnou súčasťou tohto procesu je vytváranie slabého elektrického poľa poškodeným epitelom – vrstvou buniek pokrývajúcich tkanivo. Elektrické pole vzniká v dôsledku iónového gradientu v lôžku rany, ktorý hrá dôležitú úlohu pri riadení migrácie buniek a podpore tvorby krvných ciev v danej oblasti.
Vedci zistili až koncom 20. storočia, že stimulácia tkaniva elektrickým poľom môže zlepšiť hojenie rán. Súčasný výskum v tejto oblasti sa teraz zameriava na vývoj malých, nositeľných a lacných náplastí, ktoré nie sú zaťažené externými elektrickými zariadeniami.
Drobné elektrické generátory umožňujú dlhodobý chod implantátov a senzorov bez výmeny batérií: harvesting z pulzu, dýchania či pohybu kĺbov, stabilizácia cez ultra-nízku spotrebu a mikrouložíská (superkapacíky, tenké batérie). Znižujú invazívne zákroky aj údržbu a držia zariadenia online nonstop.
Prečítajte si aj: Nanogély pomáhajú pri liečbe zranenej miechy
To viedlo k výskumu piezoelektrických materiálov vrátane prírodných materiálov, ako sú kryštály, hodváb, drevo, kosť, vlasy a guma a syntetických materiálov, ako sú analógy kremeňa, keramika a polyméry. Tieto materiály generujú elektrický prúd, keď sú vystavené mechanickému namáhaniu. Obzvlášť sľubné sú nanogenerátory vyvinuté pomocou syntetických materiálov.
Niektoré výskumné tímy napríklad skúmajú použitie piezoelektrických nanogenerátorov s vlastným pohonom vyrobených z nanoriet z oxidu zinočnatého na polydimetylsiloxánovej matrici na urýchlenie hojenia rán. Oxid zinočnatý má tú výhodu, že je piezoelektrický a biokompatibilný. Iní vedci používajú lešenia vyrobené z polyuretánu a polyvinylidénfluoridu (PVDF) kvôli ich vysokej piezoelektrickosti, chemickej stabilite, jednoduchosti výroby a biokompatibilite. Tieto a ďalšie piezoelektrické nanogenerátory ukázali sľubné výsledky v laboratórnych štúdiách a štúdiách na zvieratách.
Iný typ zariadenia, nazývaný triboelektrický nanogenerátor (TENG), produkuje elektrický prúd, keď sa dva vzájomne prepojené materiály dostanú do vzájomného kontaktu a mimo neho. Vedci experimentovali s TENG, ktoré generujú elektrinu z dýchacích pohybov, napríklad na urýchlenie hojenia rán u potkanov. Náplasti TENG tiež naplnili antibiotikami na uľahčenie hojenia rán tým, že liečia aj lokalizovanú infekciu.
„Piezoelektrické a triboelektrické nanogenerátory sú vynikajúcimi kandidátmi na samopomocné hojenie rán vďaka svojej nízkej hmotnosti, flexibilite, elasticite a biokompatibilite,“ hovorí bioinžinier Zong-Hong Lin z Národnej univerzity Tsing Hua na Taiwane. „Ale stále existuje niekoľko prekážok ich klinickej aplikácie.“
Napríklad, stále je potrebné ich prispôsobiť tak, aby vyhovovali veľkosti, pretože rozmery rany sa značne líšia. Musia byť tiež pevne pripevnené bez toho, aby boli negatívne ovplyvnené alebo korodované tekutinami, ktoré prirodzene vychádzajú z rán.
Drobné elektrické generátory vyžadujú chytré napájacie obvody: usmernenie, MPPT pre nízke napätia, ukladanie do superkapacít a stabilizáciu na 1,8–3,3 V pre MCU/BT moduly. Robustné zapúzdrenie (IP67–68), anti-korózne vrstvy a test vibrácií/teploty zaručia spoľahlivý chod v reálnej prevádzke
„Naším budúcim cieľom je vyvinúť nákladovo efektívne a vysoko efektívne systémy obväzov na rany pre praktické klinické aplikácie,“ hovorí Lin.
Drobné elektrické generátory premieňajú vibrácie, pohyb tela či teplotné rozdiely na energiu pre senzory a IoT. Využívajú piezo, tribo aj termoelektrické materiály, takže bežia bez batérií, s minimálnou údržbou a dlhšou životnosťou zariadení. Ideálne pre wearables, monitoring konštrukcií aj ťažko dostupné čidlá.
Drobné elektrické generátory prinášajú energetickú autonómiu mikrosystémom: integrujú sa do textílií, náplastí či konštrukcií a premieňajú pohyb, vibrácie alebo teplo na mW výkon. Využívajú CNT/grafén, ZnO nanodrôty, piezo a tribo vrstvy; napájajú BLE majáky, senzory vibrácií/teploty/tlaku a dobíjajú mikroakumulátory. Menej výmen batérií, nižšie servisné náklady.
Zdroj: nano-magazine.com
