Растущий интерес к носимой электронике и ограниченность природных источников энергии стали стимулом для разработки новых технологий в Южном федеральном университете. Эти технологии были реализованы в виде пьезоэлектрических наногенераторов (ПЭНГ). Одним из многообещающих материалов для создания ПЭНГ являются легированные азотом углеродные нанотрубки (N-УНТ), которые демонстрируют аномальные пьезоэлектрические свойства благодаря образованию бамбукообразных перемычек внутри нанотрубки. Учёным ЮФУ удалось создать прототип ПЭНГ и продемонстрировать возможность преобразования внешних вибраций в электрическую энергию.

Пьезоэлектрические свойства углеродных нанотрубок были открыты случайно при исследовании их электрических параметров. Выявленный гистерезис вольтамперной характеристики оказался связан с формированием внутреннего электрического поля. Первые исследования начались в 2011 году, а первая статья вышла в 2012 году. Только спустя шесть лет ученые доказали свои предположения научному сообществу, как отметила д.ф.-м.н., профессор Марина Ильина.

В настоящее время работы по созданию пьезоэлектрических наногенераторов показывают возможность преобразования энергии движения человека в электричество для питания носимой электроники и медицинских устройств. В ЮФУ разрабатываются макеты на кремниевых подложках, направленные на использование энергии окружающей среды, такой как городской шум и вибрации. Макет представляет собой кремниевую подложку 5х5 мм с вертикально ориентированными углеродными нанотрубками и электродами, которые при внешних вибрациях генерируют выходной сигнал.

Углеродные нанотрубки растут перпендикулярно подложке и представляют собой лес, что делает их вершины неподвижными. Основная задача – создать эффективный верхний электрод, который будет контактировать с вершинами трубок, сохраняя их подвижность для чувствительности к внешним вибрациям. Образец экологичен и биосовместим, поэтому ведутся работы по созданию гибких элементов с углеродными трубками для медицинских целей. Одна нанотрубка диаметром до 100 нм и высотой 2-5 мкм может накапливать ограниченное количество зарядов. При воздействии вибрационного шума в течение двух суток массив трубок генерирует ток в десятки наноампер при нагрузке мегаомы. Последовательное соединение таких наногенераторов может обеспечить зарядку электронных часов, отметила аспирантка ЮФУ Ольга Соболева. Разработкой занимаются сотрудники и студенты, которые уже неоднократно выигрывали гранты и стипендии. Запуск федерального проекта «Передовые инженерные школы» в 2024 году дал толчок для открытия «умной» фабрики микроэлектроники и фотоники в ЮФУ.

«Перспективы разработки очень обширны: они охватывают биомедицинские применения и автономные системы, включая питание нейроморфных плат. Наша технология позволяет значительно повысить энергоэффективность, а также уменьшить габариты и вес источников питания. Потребляемая мощность нейроморфной электроники будет сопоставима с мощностями современных наногенераторов. В будущем возможно создание системы, способной автономно питаться без необходимости в дополнительных источниках энергии, таких как литий-ионные батареи или конденсаторы, которые наносят вред окружающей среде», – отметила Марина Ильина.