Можно ли превратить обычную ткань в электростанцию — без аккумуляторов, розеток и проводов? Оказывается, да. Ученые показали, что привычный хлопок способен непрерывно вырабатывать электричество, буквально «высасывая» энергию из влаги в воздухе. Работает такая система и днем, и ночью.
В основе разработки — хитроумное сочетание полимерных покрытий, которые создают устойчивый поток ионов внутри ткани. Благодаря этому хлопчатобумажное полотно превращается в самоподдерживающийся генератор, не нуждающийся во внешнем источнике питания.
Как это работает
Ключ к технологии — два полимера с принципиально разными свойствами: полипиррол и полидопамин.
Полипиррол почти полностью поглощает свет в широком диапазоне длин волн и эффективно превращает его в тепло. Под солнечными лучами он быстро нагревается и ускоряет испарение воды. Полидопамин, наоборот, отражает больше света и испаряет влагу заметно медленнее, позволяя поверхности дольше оставаться влажной.
Самое важное решение — асимметрия. Исследователи покрыли полидопамином лишь половину хлопковой ткани, предварительно обработанной полипирролом. В итоге одна сторона полотна постоянно остается более влажной, а другая — высыхает быстрее. Так формируется устойчивый градиент влажности, который и запускает транспорт ионов по микроскопическим каналам хлопкового волокна. А движение ионов, как известно, и есть электрический ток.
Фототермический генератор влаги
Разработку ученые назвали фототермическим генератором влаги на основе испарения (Photothermal Evaporation-driven Moisture Generator, PEMG). В этой системе полидопаминовый слой не просто создает температурный контраст, но и решает давнюю проблему подобных устройств — нестабильность генерации.
Если испарение слишком интенсивное, градиент влажности быстро исчезает. Если же ткань перенасыщается водой, выработка энергии падает. Асимметричный слой полидопамина оказался удачным компромиссом: он предотвращает как «пересыхание», так и насыщение влагой, поддерживая стабильную работу генератора.
Испытания показали, что шесть PEMG-модулей, соединенных последовательно, выдают напряжение до 1,18 В при освещенности 1000 Вт/м² и влажности 43%. Даже ночью, при повышенной влажности воздуха (около 52%), система сохраняет работоспособность, обеспечивая напряжение около 0,72 В.
Более того, массивы таких тканевых генераторов смогли непрерывно питать светодиодные лампы более 24 часов подряд — без пауз и подзарядок.
Как делают «энергетическую» ткань
Процесс начинается с обычного хлопка. Его погружают в раствор, содержащий мономеры пиррола и специальные добавки. Полимеризация происходит прямо на волокнах, формируя тонкий проводящий слой полипиррола — черного материала, поглощающего почти весь падающий свет.
Затем половину ткани почти на сутки помещают в щелочной раствор дофамина. Молекулы дофамина самособираются в ультратонкую пленку полидопамина. Ее толщина вызывает интерференцию света, из-за чего ткань приобретает насыщенный фиолетовый оттенок — примерно как радужные переливы на мыльных пузырях. Этот слой поглощает гораздо меньше света, создавая встроенный температурный контраст.
Под «искусственным солнцем» сторона с полипирролом нагревается заметно сильнее, чем покрытая полидопамином. Разница температур усиливает испарение и непрерывно перетягивает влагу с одной стороны на другую, поддерживая устойчивый поток ионов.
Носимая электроника без батарей
Наиболее очевидное применение технологии — носимая электроника. В экспериментах ученые вшивали PEMG-ткань в жилет. Во время движения на улице напряжение возрастало: пот дополнял влажность воздуха и усиливал генерацию энергии. Полученной мощности хватало для зарядки конденсаторов, питания светодиодов и даже работы беспроводных аудиоустройств.
Механические испытания показали, что изгибы, трение и стирка практически не влияют на характеристики генератора. Полимерные покрытия оказались прочными и хорошо приспособленными к повседневному использованию.
Исследователи также выяснили, что состав влаги играет важную роль. Кислая среда заметно увеличивает выходное напряжение — протоны эффективно переносят заряд. Некоторые растворенные соли дополнительно усиливают эффект, улучшая перенос электронов на границе «полимер — вода». Компьютерное моделирование подтвердило: ионные растворы усиливают обмен зарядом и делают электрический сигнал стабильнее и мощнее.
Интегрируя асимметрию сразу в тепловые и химические свойства материала, ученые создали систему, которая сама поддерживает источник энергии в обычных условиях окружающей среды. В отличие от батарей, такая ткань не требует подзарядки, не содержит жестких элементов и не деградирует так быстро со временем.
Возможно, в будущем одежда будет не только защищать от холода или жары, но и питать наши гаджеты — просто потому, что в воздухе всегда есть влага.
Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.
